테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 프로그램 참여 학생의 과학 탐구와 사회적 전이 경험 = Students’ Experiences of Scientific Inquiry and Transference during School Citizen Science Program Based on Technology Embedded Scientific Inquiry

국문 초록 (Abstract)

탐구는 과학 지식의 생성에서 필수적인 활동이며, 과학적 소양을 함양하기 위한 과학교육의 핵심 요소로서 중심적인 역할을 담당한다. 그동안 탐구를 통한 과학적 소양을 함양시키기 위해 다양한 과학교육 연구와 실행 노력이 계속되었다. 탐구와 관련된 다양한 논의들 가운데 학생들이 연구 가치가 있다고 생각하는 문제를 주체적으로 설정하고, 이를 해결하기 위해 과학 지식을 바탕으로 탐구를 설계하고 진행하며, 반성적 사고를 반복하고 공동체 내에서 상호작용을 끊임없이 하는 탐구가 과학교육이 지향해야 할 진정한 탐구의 모습으로 강조되고 있다. 현대사회는 특히 과학기술이 빠르게 발전함에 따라 야기될 수 있는 잠재적 위험 상황이 현실로 다가오면서 과학 지식 및 정보를 바탕으로 합리적 의사 결정을 내릴 수 있는 시민 양성이 점점 중요해 지고 있다. 이러한 흐름 속에서 과학적 소양을 지닌 시민이 자발적인 연구를 통해 과학 기술에 대한 비판적 가치 판단 및 의사 결정과 관련된 활동 등을 활발하게 전개하는 이른바 시민과학 활동이 주목받고 있다. 이러한 시민과학 활동은 다양한 첨단정보기술의 활용으로 참여의 범위와 편의성이 높아지면서 더욱 확대될 것으로 기대하고 있다. 이처럼 최근 시민과학 활동이 활성화 되면서 다양한 시민과학 프로그램이 개발되고 있으며, 그 교육적 목적과 효과가 주목받고 있다. 여러 선행 연구에서는 시민들이 시민과학 프로그램에 참여함으로써 과학에 대한 이해와 실행을 통해 과학적 소양과 시민성을 함양할 수 있었음을 확인하였다. 특히 시민과학 프로그램을 학교에 적용한 연구에서는 학생들이 교실 밖 다양한 학습 사례를 경험하고, 실제적이고 직접적인 과학 활동 기반의 진정한 탐구를 경험할 수 있음을 강조하였다.
한편, 제4차 산업 혁명 시대가 도래하면서 지능정보기술을 기반으로 빠르게 변화하는 시대적 요구를 반영하여 첨단과학기술, 융복합 등 새로운 수요에 대응할 수 있도록 미래형 과학교육 기반 확대의 필요성이 제기되고 있다. 과학교육 종합계획에 따르면 IoT 기반 센서 등을 활용하여 학생들이 자료를 수집하고 이를 온라인 플랫폼에 실시간으로 축적하여 볼 수 있는 과학 탐구 기회를 제공할 예정이라고 하고 있다. 이러한 상황들을 종합해 볼 때 학생들이 테크놀로지를 활용한 진정한 탐구를 할 수 있는 프로그램을 개발하고, 참여 학생들이 유의미한 경험을 하였는지 살펴봄으로써 앞으로의 과학교육의 방향성을 제시할 수 있는 연구가 필요한 시점이라고 하겠다.
따라서 이 연구에서는 ‘테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 프로그램’을 개발하고 이를 적용하여 참여 학생들의 과학 탐구와 사회적 전이 경험을 분석하였다. 그리고 테크놀로지 활용 과학 탐구와 사회적 전이와의 관계를 파악하고 학생 활동에 주는 영향을 확인하였다. 이를 바탕으로 ‘테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 활동 모델’을 구성하고 과학적 소양을 갖춘 시민 양성을 위한 과학교육에 시사하는 바를 탐색하고자 하였다. 먼저 교육 프로그램 연구 및 개발 관련 이론에서 제시하는 프로그램 개발 연구에서 필요한 요소들 즉, 프로그램, 실행에 대한 평가, 교육적 목적 구현 여부 확인, 파일럿 적용 등의 과정을 거쳐 ‘테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 프로그램’을 개발하였다. 그리고 학생들의 경험을 분석하기 위한 이론적 렌즈로서 테크놀로지 활용 과학 탐구(Technology Embedded Scientific Inquiry)와 시민과학 연구 모델인 사회적 전이(transference) 개념을 적용하였다. 각각의 개념에서 도출된 초기 분석틀을 이 연구에서 수집한 데이터를 바탕으로 비교분석법을 통해 수정 및 보완하여 재구조화 하였다.
프로그램 개발을 포함한 연구 기간은 2년이며 2020년 5월부터 프로그램 개발과 1차 파일럿 프로그램 적용이 이루어졌다. 그리고 2021년 4월부터 10월까지 2차 프로그램을 적용하였다. 1차와 2차 프로그램 모두 수도권에 위치한 ‘백학중학교’에서 실시하였으며 그 중 2차 프로그램에 참여한 12명(1학년 4명, 2학년 4명, 3학년 4명)의 학생들의 탐구경험과 사회적 전이를 분석하였다.
개발된 프로그램은 ‘주제 탐색-탐구 수행-사회적 실천-사회적 영향 확인’의 네 단계로 구성되어 있으며, 전반의 두 단계에서는 테크놀로지를 활용한 탐구가 이루어지고 후반의 두 단계에서는 사회적 전이가 이루어지도록 설계하였다. 세부 내용은 시민과학 및 대기환경 문제 소개, 테크놀로지 자원 소개 및 실습, 대기환경 관련 탐구 주제 선정 및 연구계획서 작성, 측정 장치 제작, 과학 탐구 및 사회적 실천, 사회적 영향 확인으로 이루어져 있다.
프로그램을 적용하는 과정에서 학생들의 경험을 분석한 결과, 테크놀로지 활용 과학 탐구 수행 과정에서 학생들은 테크놀로지의 도입으로 과학 조사 과정의 어려움을 극복할 수 있었다. 그리고 과학 의사소통 과정에서 학생들은 교사, 학생, 외부 사람들과의 탐구 전반에 걸쳐 테크놀로지 기반의 활발한 논의를 통해 탐구의 질을 향상시켜갔다. 과학 개념화 과정에서는 테크놀로지를 활용하여 추상적이고 모호한 과학 지식을 감각적이고 실체적으로 이해하고, 관련 지식이나 정보를 탐색하며 확장시켜 나갔다. 이러한 일련의 과정을 통해 학생들은 전형적인 학교 과학 탐구와는 다른 경험을 하는 것으로 나타났다. 자신이 관심있는 생활 주변 주제에 대한 탐구를 수행함으로써 과학에 대한 흥미가 증가하고 테크놀로지의 활용으로 탐구에 대한 신뢰와 자신감이 높아졌다는 것을 확인할 수 있었다.
학생들은 테크놀로지 활용 과학 탐구와 사회적 실천으로 구성된 시민과학 프로그램에 참여하는 과정에서 사회적 전이를 경험하였다. 이들은 자신의 연구에 대한 높은 가치를 부여하면서 스스로 연구를 할 수 있다는 자신감을 바탕으로 가족, 친구들에게 다양한 매체를 통해 연구 성과를 공유함으로써 공유의 효과와 중요성을 인식하였다. 학생이 속한 공동체(가족, 학교 등)의 사람들은 학생의 시민과학 참여 과정에서 보여주는 다양한 모습을 근거로 학생들에게 전문성을 부여하였다. 이렇게 전문성을 부여받은 학생들은 연구와 관련된 질문을 받고 답하는 등 전문가의 역할을 획득하게 되었다. 이를 통해 최종적으로 탐구 주제와 관련하여 타인의 행동 및 태도 변화에 영향을 주거나 타인으로 하여금 시민과학에 관심을 가지는 계기를 마련하는 등 타인의 변화에 영향을 주게 됨으로써 사회적 전이를 경험하였다.
‘테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 프로그램’에서 테크놀로지 활용 과학 탐구는 직접적으로 탐구가 이루어지는 전반부의 주제 탐색과 탐구 수행 단계에서 학생들이 주제 선정의 폭을 확대하고 탐구를 증진시킬 수 있게 하였다. 또한, 테크놀로지를 활용함으로써 사회적 실천 단계에서 사회적 영향력을 높일 수 있는 포스터를 제작할 수 있었고, 주위 사람들과의 즉각적이고 효율적인 소통이 가능하였다. 그리고 학생들이 주위로부터 탐구에 대한 신뢰를 얻게 되는 근거가 되기도 하였다. 사회적 전이는 사회적 실천을 시작으로 주로 사회적 영향 확인 단계에서 이루어졌다. 이 때 학생들은 사회적 영향 확인 단계 활동이 계기가 되어 사회적 실천, 탐구 수행 단계로 다시 돌아가서 보완을 하거나 탐구 주제를 심화·확장 시켜서 새로운 주제 탐색의 계획을 세우기도 하였다. 뿐만 아니라 사회적 영향을 확인하는 과정에서 개인과 사회가 서로 밀접한 영향을 주고받는다는 것을 경험적으로 깨닫게 되었다. 최종적으로 학생들은 시민과학 활동의 가치를 높게 평가하고 시민과학 활동 확대의 필요성을 강조하기도 하였다.
이러한 학생들의 경험을 종합하여 테크놀로지 활용 과학 탐구와 사회적 전이가 서로 영향을 주어 순환적으로 단계가 이어지는 ‘테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 활동 모델’을 구성할 수 있었다. 순환적 과정 속에서 학생들은 탐구에 대한 흥미를 바탕으로 탐구 능력을 향상시키고 시민과학자로서의 자긍심과 정체성을 강화해 나갔다.
최근 과학교육의 목표로서 과학적 소양은 과학 지식, 과학적 과정 자체를 습득하는 것에서 머무르지 않고, 삶과 사회와 연결된 과학적 지식의 유용성에 집중하고 나아가 사회 참여, 실천적 행위를 강조하는 것으로 관점이 변화하고 있다. 그리고 이러한 변화는 시민과학이 지향하는 시민의 실천적 과학 소양과 일맥상통한다고 볼 수 있다. 따라서 학생들이 주변에서 쉽게 접할 수 있는 자연현상이나 자신의 삶과 직접적으로 연관되어 있는 과학 이슈 등을 포함한 실제적인 과제들을 탐구하고 이를 바탕으로 행동 및 실천을 함으로써 과학적 소양을 갖춘 시민을 양성하고자 하는 시민과학 프로그램의 개발과 적용이 매우 필요한 시점이라고 할 수 있겠다. 프로그램에 참여한 학생들의 경험을 통해 확인하였듯이, 정확도가 높고 조작이 용이한 테크놀로지를 활용하여 실생활의 문제를 탐구하는 것은 학생들의 과학 탐구 및 과학에 대한 흥미로 이어진다는 점에서 지금까지 학교 수업에서 이루어진 이론 중심적인 탐구의 한계를 극복할 수 있을 것이다. 또한 탐구 결과를 바탕으로 자신의 주장을 공유하면서 주위 사람들의 행동과 태도의 변화에 영향을 주는 사회적 전이 경험은 학생들이 과학 지식 및 정보를 바탕으로 합리적 의사 결정을 내릴 수 있는 시민으로서의 역량을 키울 수 있는 계기가 될 것이다. 그러므로 이를 종합하여 구성된 ‘테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 활동 모델’은 새로운 과학교육의 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Inquiry is an essential activity in the generation of scientific knowledge and plays a central role as a key element of science education efforts to cultivate scientific literacy. Science education research has focused on enhancing scientific literacy through scientific inquiry. Specifically, research has emphasized that science inquiry be authentic and aim to support students to connect existing scientific information, to design and engage in inquiry processes, engage in reflective thinking, and interact with the community. These skills are becoming increasingly important in modern society as potentially dangerous situations can arise due to the rapid developments in science and technology which requires the education of citizens who can make rational decisions about dangerous situations based on scientific knowledge and information. In this context, so-called citizen science activities are gaining attention. This refers to citizens with scientific literacy who actively engage in voluntary research activities requiring critical value judgment and decision-making abilities about science and technology. It is expected that citizen science activities will gradually expand in the future by enhancing the scope and convenience of citizens' participation in science activities through the use of various advanced information technology. As such, various citizen science programs are being developed and their educational purposes and effects are attracting attention. Several previous studies confirmed that citizens who participated in citizen science programs were able to cultivate scientific literacy and citizenship by understanding and practicing science. In particular, the application of citizen science programs in schools has emphasized students’ learning experiences outside the classroom and the importance of real inquiry that is based on practical and direct scientific activities.
Meanwhile, with the advent of the 4th industrial revolution, the need for future science education expansion is needed to be able to respond to advances in science and technology that reflect rapid changes related to intelligent information technology. According to the 2020-2024 Science education General Plan, students will be able to do scientific inquiry in which they collect data using IoT sensors and send real-time data to online platforms. Considering these circumstances, it is necessary to develop a program that allows students to experience authentic inquiry using technology and to suggest a direction for science education for the future that examines whether participating students had meaningful experiences.
The ‘Technology Embedded Scientific Inquiry based Citizen Science Program’ [TESICSP] was developed through a process of program evaluation and implementation, checking whether educational objectives were implemented, and then piloting and further development. The theoretical lens of Transference and TESI, the concept from the Citizen Science Research model and the Technology Embedded Scientific Inquiry, were applied to analyze students' experiences. The initial analysis framework derived from each concept was restructured by modifying and supplementing it through comparative analysis based on the data collected in this study. In addition, the relationship between TESI and transference was explored by examining how experiences affected students’ engagement or attitudes. From this, the study organized the ‘Technology Embedded Scientific Inquiry-based Citizen Science model', which was implemented and evaluated for cultivating citizens with scientific literacy.
The research period, including program development, took place over a two-year period. The program development and 1st pilot program implementation started in May 2020. The 2nd program implementation took place from April to October 2021. Both the 1st and 2nd programs were implemented at ‘Baekhak Middle School' located in the Seoul metropolitan area, and the experiences of four first-, second-, and third-graders (n=12) whom all participated in the 2nd program on scientific inquiry and transference were analyzed. The program consisted of four stages: 1) search topics, 2) conduct inquiry, 3) take social action, and 4) find social impacts. TESI took place in the first two stages and transference occurred in the latter two stages. The detailed contents consist of the introduction to citizen science and atmospheric environment issues, introduction and practice with technology resources, selection of research topics related to atmospheric environment and preparation of research plans, production of measurement devices, scientific inquiry and social action, and confirmation of social impact.
Analysis of the student experiences in the program revealed that students were able to overcome the difficulties in the process of the scientific investigation by utilizing technology. Through technology embedded scientific communication, students improved the quality of their inquiry activities and actively engaged in technology-based discussions with teachers, students, and others. In the technology embedded scientific conceptualization process, technology was used to understand abstract and ambiguous scientific knowledge more substantively, and to explore and expand related scientific knowledge. Through this series of processes, it was found that students had a different experience from typical school science inquiry. The results demonstrated that by conducting research on everyday life topics of interest to the students that students’ interest in science and their confidence to engage in inquiry increased with the use of technology.
While participating in a citizen science program that consisted of scientific inquiry using technology and social action, students experienced transference. Students recognized the effect and importance of sharing their inquiry results through various media with family and friends which increased their confidence that they could conduct research on their own. The people in the community to which these students belong(family, school, etc.) attributed expertise to the students based on the information students gained and shared by participating in the citizen science project. Students acquired the role of experts by answering various questions related to research. This experience resulted in transference as the students influenced changes of others, such as behavior and attitude changes related to the inquiry topics or by providing opportunities for others to also become interested in citizen science.
In the ‘search topics’ and ‘conduct inquiry’ stage, where direct inquiry takes place, TESI enabled students to expand the scope of topic selection and to enhance their inquiry. In addition, by using technology, immediate and efficient communication with people around was possible and it was possible to produce posters that could increase social influence at the ‘take social action’ stage. This allowed students to build trust in their research from the members of the surrounding community. Transference, starting with ‘take social action’, was mainly carried out in the stage of ‘find social impacts’. At this time, the activities in the ‘find social impacts’ phase allowed students to return to the ‘take social action’ and ‘conduct inquiry’ stages to supplement, deepen, and expand the research topics which allowed them to establish a new plan for further inquiry. This process of confirming social influence empirically demonstrated that individuals and society closely influence each other. Finally, students highly valued citizen science activities and emphasized the necessity of expanding citizen science activities.
By synthesizing the experiences of these students, it was possible to construct a 'technology embedded inquiry-based citizen science model' in which technology embedded scientific inquiry and transference influence each other and cyclically follow steps. In the cyclical process, students improved their inquiry skills based on their interest in inquiry and strengthened their pride and identity as citizen scientists.
Recently, science educators have begun to recognize that scientific literacy includes more than acquiring scientific knowledge and engaging in the scientific process itself. Today, the focus is changing to consider the usefulness of scientific knowledge connected to life and society, and the need to emphasize social participation and practical actions. These changes are aligned with the practical aims of improving citizens' scientific literacy. To cultivate citizens who are scientifically literate, it is necessary to develop and implement scientific programs exploring practical tasks, including natural phenomena and scientific issues directly related to their lives, that students can easily engage with and take action. As confirmed through analysis of the experiences of the students who participated in this program, exploring real-life problems using high-accuracy and easy-to-manipulate technology can lead to increases in students' interest in science and inquiry and can help to overcome limitations to engaging in inquiry. In addition, sharing evidenced-based results with community members enables students to experience transference that can influence changes in the behaviors and attitudes of those around them. This can help students to develop their capacity as citizens who can make rational decisions based on scientific knowledge and information. As such, the ‘technology embedded inquiry-based citizen science model' suggests a new direction for science education.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구의 필요성 1
• 제 2 절 연구의 목적 및 연구 문제 5
• 제 3 절 용어 정의 6
• 1. 시민과학 6
• 2. 사회적 전이 6
• 3. 테크놀로지 활용 과학 탐구 7
• 제 2 장 이론적 배경 9
• 제 1 절 시민과학 9
• 1. 시민과학의 개념 9
• 2. 시민과학의 유형 11
• 3. 시민과학의 효과 14
• 4. 학교 기반 시민과학 활동 선행 연구 15
• 제 2 절 시민과학 참여 과정에서의 사회적 전이 17
• 1. 사회적 전이의 개념 17
• 2. 시민과학 프로그램 참여자의 경험과 사회적 전이 19
• 제 3 절 테크놀로지 활용 과학 탐구 24
• 1. 테크놀로지 활용 과학 탐구의 개념 24
• 2. 테크놀로지 활용 과학 탐구의 핵심 요소 25
• 제 3 장 연구 방법 29
• 제 1 절 연구 절차 29
• 제 2 절 연구 참여자 31
• 1. 지도 교사 31
• 2. 참여 학생 32
• 제 3 절 프로그램 개발 과정 35
• 1. 1차 프로그램 개발 35
• 2. 수정 및 보완을 거친 2차 프로그램 개발 42
• 3. 2차 프로그램 적용 43
• 제 4 절 자료 수집 46
• 제 5 절 분석 방법 48
• 1. 테크놀로지 활용 과학 탐구 분석 방법 48
• 2. 사회적 전이 분석 방법 51
• 제 6 절 연구 신뢰성 및 타당성 55
• 제 4 장 연구 결과 57
• 제 1 절 '테크놀로지 활용 탐구 기반 시민과학 프로그램'의 특징 57
• 1. 테크놀로지 활용 과학 탐구 요소 57
• 2. 사회적 전이 요소 61
• 제 2 절 테크놀로지 활용 과학 탐구 경험 64
• 1. 테크놀로지를 활용한 과학 조사 64
• 2. 테크놀로지를 활용한 과학 의사소통 79
• 3. 테크놀로지를 활용한 과학 개념화 89
• 제 3 절 사회적 전이 경험 104
• 1. 과학적 지식과 경험 공유 107
• 2. 외부로부터의 전문성 부여 111
• 3. 전문가의 역할 획득 116
• 4. 타인의 변화에 영향 118
• 제 4 절 테크놀로지 활용 과학 탐구와 사회적 전이의 영향 121
• 1. 테크놀로지 활용 과학 탐구가 사회적 전이에 주는 영향 121
• 2. 사회적 전이가 테크놀로지 활용 과학 탐구에 주는 영향 137
• 3. 테크놀로지 활용 과학 탐구와 사회적 전이의 영향을 반영한 모델 151
• 제 5 장 결론 및 제언 153
• 제 1 절 결론 153
• 제 2 절 시사점 및 제언 159
• 참고문헌 161
• 부록 173
• Abstract 190