Development and Application of the Photosynthesis Experimental Module Based on Scientist's Inquiry Processes

과학자의 탐구 과정을 재구성한 광합성 실험 모듈의 개발과 적용

This study was intended to develop an experimental module based on inquiry processes conducted by photosynthesis scientists. It was aimed to enhance scientific inquiry ability of the middle school students by applying the developed module. Developed module included some experiments conducted by earlier photosynthesis scientists such as Helmont, Woodward, Priestly, Hales and Ingen-Hausz. Inquiry process was involved in the developed module for instructing the inquiry methods. Rapid-cycling Brassica rapa known as a Fast Plant was used for the experimental material. Developed module was applied to the experimental group consisting 27 eighth grader, while experiments suggested in the science textbook was applied to the control group consisting 30 eighth grader. Developed module was more effective in improving students' scientific inquiry ability, especially measuring, forecasting and hypothesizing ability as its subordinate elements. When the result of post-test was compared to one of pre-test in the experimental group, their observing, forecasting, and generalization ability were improved. Experimental group showed that students' conception in photosynthesis and conceptual development related with the role of plants in the ecosystem and plant's food and movement of the water and nutrients were also improved. Before application, students in the experimental group did not have enough understanding of the abstract concept such as the existence or the role of the materials like $CO_2$ or $O_2$ or the energy accumulation. Developed module could help students to achieve the comprehensive concept regarding the role of plants as producers of organic matter and oxygen and to enhance their scientific inquiry ability and concepts regarding photosynthesis.

이 연구는 초기 광합성 연구자의 탐구 과정을 재구성하여 중학생들의 과학탐구능력과 광합성 관련 개념의 향상을 위한 실험 모듈을 개발한 후, 이의 적용 효과를 알아보고 광합성과 관련된 학생들의 선행 개념 유형과 개념 변화의 패턴을 분석하고자 하였다. 실험재료로는 Rapid-cycling Brassica rapa 라는 속성식물을 사용하였다. 개발된 모듈을 적용한 실험반의 수업은 교과서에 제시된 실험을 적용한 통제반의 수업에 비해 학생들의 과학탐구능력 향상에 효과적이었으며, 과학탐구능력의 하위 요소 중에서 측정, 예상, 가설 설정 능력의 향상에 효과적이었다. 실험반의 사전-사후 검사 결과를 비교해 본 결과, 관찰, 예상, 일반화 능력의 향상에 더욱 효과가 있는 것으로 나타났다. 개발된 모듈은 광합성 관련 개념 성취 및 생태계내에서의 식물의 역할, 식물의 먹이, 식물체 내에서 물과 양분의 이동과 관련된 개념 발달에 효과가 있었다. 학생들은 선행 개념으로 이산화탄소나 산소와 같이 눈에 보이지 않는 물질의 존재나 역할 또는 에너지의 축적과 같은 추상적 개념에 대한 이해가 부족한 것으로 나타났으나, 이 연구에서 개발된 모듈을 적용한 결과 유기물과 산소 생산자인 식물의 역할에 대한 포괄적인 개념 발달에 효과가 있었으며, 과학탐구능력과 광합성 관련 개념의 향상에 효과가 있었다.