열화상 사진기를 활용하여 열전도 현상을 시각화한 자료의 개발 및 교육적 효과 = Development of Visualization Materials for Heat Conduction Phenomena using a Thermal Imaging Camera and Educational Effects

국문 초록 (Abstract)

시각적인 예시나 자료는 관찰한 현상에 대하여 개인이 내적으로 만드는 설명체계인 정신모형의 구성에 중요한 역할을 한다. ‘열’ 개념은 비가시적인 특성으로 인해 추상적인 개념으로 여겨지는데, 열화상 사진기를 활용하면 열전도 과정을 시각화하여 구체적으로 관찰하는 것이 가능하다. 본 연구는 발전된 도구를 과학교육 현장에 도입하여 열전도 현상을 시각화하여 제시하는 것이 학생들의 정신모형 변화에 어떻게 기여하는지 탐색하였다.
5학년 1학기 ‘온도와 열’ 단원의 2015 개정교육과정 성취기준과 2015 국정 교과서의 차시별 학습내용을 분석하였으며 열화상 사진기로 열전도 과정을 시각화한 자료를 제작하기 위해 세부 계획을 수립하였다. 또한 열화상 사진기의 원리와 사용 방법을 숙지하고 물체의 온도를 왜곡되지 않게 촬영하기 위한 주의사항을 추출하였으며 이에 유의하여 시각화 자료를 제작하였다.
연구 결과, 열화상 사진기로 열전도 현상을 시각화한 자료를 제작하였다. 제작한 시각화 자료는 ‘열의 이동방향’, ‘고체에서의 열의 전도’, ‘열전도도’, ‘단열’에 대한 교수학습에서 활용할 수 있다. 또한 학습한 지식들을 적용하여 ‘금속이 차갑게 느껴지는 이유 설명하기’ 활동에서 활용할 수 있는 시각화 자료도 개발하였다. 열화상 사진기로 보면 열원으로부터의 거리에 따른 물체의 온도 차이를 알 수 있고, 여러 물체의 온도를 동시에 측정할 수 있는 장점이 있다.
서울시 소재 I 초등학교 5학년 학생 4명을 대상으로 ‘금속이 차갑게 느껴지는 이유’에 대한 정신모형 변화과정을 분석하기 위해 질적 사례연구를 수행하였다. 사전·사후 심층 면담자료와 8-9차시 소집단 활동 녹화/녹음 자료, 학생 활동지, 연구자의 연구일지 등을 자료로 수집하였다. 사전사후 심층면담자료와 수업녹음 자료는 전사하였으며 비디오 녹화장면과 비교하여 전사한 내용을 명료화하였다. 전사한 자료는 시각화 자료가 학생들의 정신모형 변화에 미치는 영향에 초점을 두고 분석하였다.
연구 결과, 열화상 사진기로 제작한 시각화 자료는 신기함과 호기심을 유발하여 학생들의 참여를 촉진시켰고 여러 가지 물체의 온도변화를 연결하여 살펴보게 함으로써 복잡한 실세계를 이해하게 하는 출발점이 되었다. 시각화 자료를 근거로 한 해석과 반박은 학생들이 자신의 예상과 다른 불일치 상황에 대한 모순을 인식하도록 하였고 정신모형의 평가, 수정 등의 과정을 촉진하였다. 시각적으로 관찰한 현상과 비과학적 신념간의 불일치 인식은 ‘금속은 온도가 낮은 물질이다’라는 비과학적 신념을 수정하는 계기가 되었다. 열화상 사진기는 비가시적인 현상인 열전도현상을 시각적으로 관찰할 수 있게 하여 새로운 사실의 발견을 촉진하였고 사고의 도약과 지식의 확장을 가져왔다. 학생들은 반박이나 모순에 직면하였을 때 시각화 자료를 반복적으로 관찰하는 전략을 보여주었는데 정교한 관찰 끝에 발견한 시각정보들은 모순 해소와 정신모형 수정의 계기가 되었다. 열화상 사진기 자료로 실험맥락에 따른 여러 가지 물체들의 온도변화를 동시에 관찰하는 것은 열전도도 개념에 대한 심도 있는 이해와 지식의 정교화를 도왔다. 소집단 활동 후 학생들은 금속이 차갑게 느껴지는 이유에 대해 서로 다른 정신모형을 구성한 것으로 나타났다. ‘금속이 차갑게 느껴지는 이유’에 대한 모든 학생들의 정신모형은 초기 정신모형에 비해 과학적인 내용에 가깝게 변화하였으며 정교화되었다.
열화상 사진기로 열전도현상을 시각화한 자료의 개발과 교육현장에 적용한 사례에 대한 본 연구 결과는 비가시적인 현상을 시각화한 자료가 학생들의 정신모형이 변화하는 과정에 어떻게 기여하였는지를 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 4
• 3. 용어의 정의 5
• 4. 연구의 제한점 7
• Ⅱ. 이론적 배경 8
• 1. 시각화 8
• 가. 시각화의 의미 8
• 나. 시각화의 교육적 효과 12
• 다. 열전도 현상을 시각화하기 위한 교육과정 속의 실험내용 변화 14
• 2. 모형(model)과 정신모형(mental model) 19
• 가. 모형(model)의 의미 19
• 나. 과학교육에서의 모형(model)과 모델링(modelling) 21
• 다. 정신모형(mental model) 24
• 라. 비과학적 신념(unscientific belief) 28
• 마. 소집단 활동과 정신모형(mental model) 변화 30
• 바. 시각화와 정신모형(mental model) 변화 32
• Ⅲ. 열화상 사진기를 활용한 열전도 현상 시각화 자료 개발 34
• 1. 연구의 필요성 및 목적 34
• 2. 연구방법 36
• 3. 연구결과 45
• Ⅳ. 열화상 사진기로 열전도 현상을 시각화한 자료가 소집단 활동에서 초등학생의 정신모형 변화에 미치는 영향 82
• 1. 연구의 필요성 및 목적 82
• 2. 연구방법 84
• 3. 연구결과 97
• 4. 논의 137
• Ⅴ. 결론 및 제언 146
• 1. 결론 및 시사점 146
• 2. 제언 149
• 참고문헌 151
• ABSTRACT 169

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