Analysis of the Level of Cognitive Demands about Concepts of the Changes of State and Kinetic Theory on 'Science 1' Textbooks in Junior High School (III)

'과학1' 중학교 교과서의 물질의 상태 변화와 분자 운동 내용이 요구하는 인지 수준 분석(제III보)

Abstract

The purpose of this study is to analyze the cognitive demands level of the description about 'changes of state' and 'kinetic theory' on the 'science 1' textbooks by the 2007 revised curriculum. The three types of curriculum analysis taxonomy have been used to analyze the cognitive demands level of those contents on the 6 kinds of 'science 1' textbooks. The most higher level of cognitive demands about the concepts have been discussed here due to the focus of the concepts. The first, the cognitive demand level about 'three states of substances' depending on the motion of their particles in 6 textbooks is a early formal operational stage because of using by the application of kinetic theory. The second, the cognitive demand level about 'diffusion' and 'evaporation' is a early formal operational stage, because the particles move around faster so they can change their position. The third, the cognitive level of the pressure and volume in a gas is a early formal operational stage because of explaining only phenomena in simple correspondence with formal model of kinetic theory. And simple functional relationships beyond linear on the graph of the volume and pressure of gas, the volume and temperature of gas is also a early formal operational stage. The fourth, the cognitive level of the energy of heat by a change of the state is also a early formal operational stage because kinetic theory picture accepted as providing explanation by the change of the state. And functional relationships beyond linear on the graph of the explanation of boiling point of water in water is also a early formal operational stage.

우리나라 중학교 '과학1'에 실려 있는 '물질의 상태 변화'와 '분자의 운동'에 대한 서술 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석하였다. '분자의 운동'에는 '확산과 증발', '기체의 압력과 부피', '기체의 온도와 부피', 그리고 '상태 변화와 열에너지' 개념이 포함된다. 인지 요구도 분석에 활용한 분석 준거는 영국에서 개발된 과학 교과 내용 분류틀에 있는 3종류 분석틀이다. 분석 대상인 6종 교과서 내용들이 요구하는 인지 수준들은 구체적 조작 수준과 형식적 조각 수준들이 다양하였다. 해당 내용에는 여러 인지 수준들이 있으나 그 중에서도 높은 인지 수준을 요구하는 내용들을 보면 다음과 같다. 첫째, 단원 초기에 물질의 세 가지 상태를 설명할 때에는 그 서술 내용이 요구하는 높은 인지 수준이 6종 모두 후기 구체적 조작 수준이다. 그러나 단원의 초기 이후부터는 이에 대한 설명이 모두 초기 형식적 수준이다. 분자 배열과 분자 모형에 관한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 모든 6종 교과서가 분자 운동으로 서술하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준이다. 둘째, 확산과 증발 개념에 대한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 6종 교과서 모두 초기 형식적 조작 수준이다. 왜냐하면 상태 변화를 분자 운동론으로 서술하고 있어서 초기 형식적 조작 수준이다. 셋째, 기체의 압력과 부피, 기체의 온도와 부피 개념에 대한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 교과서 6종 모두 초기 형식적 조작 수준이다. 분자 운동을 이용한 형식적 모델을 이해해야 하고 그리고 그래프를 통해 보일 법칙과 샤를 법칙을 이해해야 하기 때문에 학생들은 고차식의 그래프를 해석해야 하며, 두 독립변수 사이의 관계를 발견해야 하므로 초기 형식적 조작 수준이다. 넷째, 상태 변화와 열에너지 개념에 대한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 교과서 6종 모두 초기 형식적 조작 수준이다. 물질의 끓는점과 어는점을 설명하는 고차식 그래프의 해석 능력을 요구하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준이다. 물질의 상태 변화와 온도의 관계도 분자 운동론을 이용하여 서술하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준이다.

서 론

피아제는1 아동들이 12세 이후부터는 형식적 조작을 할 수 있도록 인지 수준이 발달한 청소년으로 성장한다고 하였다. 그에 의하면 형식적 조작 인지 수준은 사고력 발달에서 가장 높은 인지 수준이며, 이 수준의 청소년들은 눈 앞에서 보거나 만질 수 있는 현상들은 물론이고 그리고 더 나아가서 만지거나 볼 수 없는 여러 이론들까지 이해한다고 하였다. 이처럼 학습자들의 나이 또는 성장이 학습에 영향을 미친다는 인지 발달 심리학은 이러한 요인들을 인정하지 않으면서 학습의 경험과 학습자가 이미 가지고 있는 개념틀을 매우 중요하게 여기는 심리 철학으로서의 구성주의에2 의하여 비판도 받는다. 그러나 이 두 측면의 과학 학습 이론들은 당면한 현장 과학 교육의 여러 가지 문제점들을 진단하는 연구에서 빈번히 활용되고 있고 그리고 다양한 과학 교수·학습 전략들을 개발하는 경우에도, 때로는 각각 독자적 이론으로, 때로는 두 측면의 이론들을 함께 협력하여 함께 활용되기도 한다. 만일, “초등학교를 갓 졸업한 중학교 1학년 학생들이 과학 과목을 배우면서 쉬운 과목이라고 하지 않고 어려 운 과목이라고 생각하고 있는 학생들이 있다면, 아마도 그러한 학생들은 과학1에서 학습할 내용이 요구하는 인지 요구도가 그 학생들의 인지 수준에 비하여 더 높기 때문에 이해하기가 어려울 것이다”라는 가설을 세울 수가 있다. 이러한 가설로부터 시작하는 연구들은 전자인 인지 발달 심리학 측면인 친피아제적 연구이다.3−16 따라서 본연구에서도 우리나라 중학교 1학년 학생들이 학습하는 과학1 교과서에 서술되어 있는 화학 개념이 어떠한 인지 수준을 요구하고 있는가를 분석해 보고자 한다. 이렇게 얻어진 과학1 교과서 화학 관련 내용이 인지 요구도 수준들과 과학1 교과서를 학습하는 학생들의 인지 수준들을 비교·분석한 연구 결과들은 과학 교사들이 과학1 교수 전략을 개발하는데 있어서 유용하고 도움이 되는 기초 자 료로 사용할 수 있다. 우리나라 과학1 교과서를 학습하는 중학교 1학년 학생들은 초등학교를 갓 졸업한 13세이며 피아제가 언급한 바에 의하면 구체적 조작 수준 내용은 물론 형식적 조작 수준 내용도 이해할 수 있어야 하는 청년들이다.

만일, “초등학교를 갓 졸업한 중학교 1학년 학생들이 과학 과목을 배우면서 쉬운 과목이라고 하지 않고 어려운 과목이라고 생각하고 있는 학생들이 있다면, 아마도 그러한 학생들은 과학1에서 학습할 내용이 요구하는 인지 요구도가 그 학생들의 인지 수준에 비하여 더 높기 때문에 이해하기가 어려울 것이다”라는 가설을 세울 수가 있다. 이러한 가설로부터 시작하는 연구들은 전자인 인지 발달 심리학 측면인 친피아제적 연구이다.3−16 따라서 본연구에서도 우리나라 중학교 1학년 학생들이 학습하는 과학1 교과서에 서술되어 있는 화학 개념이 어떠한 인지 수준을 요구하고 있는가를 분석해 보고자 한다. 이렇게 얻어진 과학1 교과서 화학 관련 내용이 인지 요구도 수준들과 과학1 교과서를 학습하는 학생들의 인지 수준들을 비교·분석한 연구 결과들은 과학 교사들이 과학1 교수 전략을 개발하는데 있어서 유용하고 도움이 되는 기초 자료로 사용할 수 있다. 우리나라 과학1 교과서를 학습하는 중학교 1학년 학생들은 초등학교를 갓 졸업한 13세이며 피아제가 언급한 바에 의하면 구체적 조작 수준 내용은 물론 형식적 조작 수준 내용도 이해할 수 있어야 하는 청년들이다.

다음의 Table 1을 보면 아동들의 인지 수준을 학급 수준으로 조사하게 되면서부터 개발된 0~12점 범위로 채점하는 검사 도구들로서 친피아제 연구자들인 영국의 Adey와 Shayer가 중심이 되어 개발한 Genevan 척도17와 미국의 Roadrangka 등이 개발한 GALT 척도18가 있다. Genevan 척도는 ‘초기 구체적 수준2A’, ‘과도기 수준2B/3A’, ‘후기 형식적 수준3B’로 분류하여 학생들의 인지 수준도 분류하고 과학 내용이 인지 요구도 수준도 분류한다. GALT 척도는 학생들의 인지 수준을 ‘구체적 조작 수준’, ‘과도기 수준’, 그리고 ‘형식적 조작 수준’으로 구분한다.

Table 1.Levels of cognitive development by Genevan scale17 and GALT scale18

다음의 Table 2에 들어 있는 자료들은 우리나라에서 연구된 논문들19−27에 들어있는 자료에서 발췌한 것으로서 여러 지역 중학교 1학년 학생들의 인지 수준들이 세 가지 수준으로 분류되어 있다. 이때에 사용한 검사 도구가 GALT 검사 도구이기 때문에 Table 1에서의 GALT 척도이다. Table 2의 자료를 보면 ‘형식적 조작 수준’에 도달해 있는 중학교 1학년 학생들의 분포가 가장 적은 경우는 Koh19의 조사 자료로서 7.4%이고, 형식적 조작 수준 분포가 가장 많은 경우는 Jung27이 조사한 자료로서 36.0%로 나타났다. 이처럼 13세인 우리나라 중학교 1학년 학생들의 형식적 인지 수준 분포를 보면 피아제가 제안한 “청소년들이 12세 부터는 형식적 사고를 할 수 있다”라는 견해와는 크게 상이한 결과들을 보이고 있으며, 또한 대상 학교에 따라 상이하게 나타나고 있음도 알 수 있다. 영국의 Shayer와 Adey의 연구에서도3 영국 13세 학생들의 인지 수준 분포에서 후기 형식적 조작 수준3B의 학생들은 3%이고 과도기로 분류되는 초기 형식적 조작 수준3A의 학생들도 14%밖에 되지 않으며 나머지는 초기 구체적 조작 수준2A와 후기 구체적 조작 수준2B로 조사되었다. 즉, 우리나라뿐만 아니라 영국의 13세 학생들도 많은 수가 피아제가 말하는 형식적 조작 수준에 도달하지 못하고 있음을 보여 주고 있는 자료이다.

Table 2.Distribution of cognitive levels of 7th grade students (Age 13 years) in junior high school

13세인 우리나라 중학교 1학년 학생들은 Table 2의 자료를 보면 아직도 구체적 조작 수준인 학생들이 많게는 63.1%19 이고 적게는 23.0%27이며, 이러한 분포를 이루고 있는 구체적 조작 수준의 학생들은 구체적 수준보다 높은 과도기 수준이나 형식적 조작 수준을 요구하는 과학 개념을 이해하기는 어려움을 갖게 될 것이라고 예측할 수 있다.

또한 지역이 다른 여러 학교에서 13세 학생들이 인지 수준 분포가 상이하게 나타나는 Table 2의 자료로부터 우리가 알 수 있는 것은 학생들은 학교에 따라 그리고 지역에 따라 다르다는 것이다. 다시 말하면 중학교 1학년 학생들의 인지 수준 분포가 일괄적으로 일정 분포라고 생각하는 것은 바람직하지 않기 때문에, 과학 교사들은 자신이 가르치는 대상 학생들의 인지 수준 분포를 조사하여 알아낸 후에 자신의 교수 전략에 참고하는 것이 바람직하다.

본 연구는 Shayer와 Adey3의 과학 내용 분석틀(CAT; Curriculum Analysis Taxonomy)을 사용하여 과학1 교과서 서술 내용이 요구하는 인지 요구도 수준을 알아내고 있기 때문에 Table 1의 Genevan 척도17로 연구 결과가 나타난다. 즉, 과학 교과서에 서술되어 있는 과학 내용의 인지 요구도 수준을 분석해 내는 본 연구의 결과들은 2A, 2B, 3A, 3B로 얻어진다. 그리고 다음 Table 2 중학교 1학년 학생들의 인지 수준 분포는 본 연구에서 얻어진 결과가 아니며 수년간 우리나라에서 이미 조사된 자료들이다. 이 Table 2의 자료들은 GALT 검사 도구로 얻어진 GALT 척도18이다. 따라서 GALT 검사 도구에 의하여 분류된 형식적 조작 수준은 Genevan 척도17로는 후기 형식적 조작 수준(3B)을 의미하며, GALT 검사 도구에 의하여 분류된 구체적 조작 수준은 Genevan 척도17로는 초기 구체적 조작 수준(2A)을 의미한다(Table 1참조).

우리나라 중학교 1학년 학생들에게 과학1의 ‘물질의 상태 변화’와 ‘분자의 운동’ 내용을 교수하는 과학 교사들이 해당 과학 교수 전략을 개발하기 위해서는, 맨 먼저 가르칠 대상 학생들의 인지 수준 분포를 검사지로18 알아내어야 한다. 이어서 이 연구에서 분석해서 얻어지는 인지 요구도 수준들을 사용하여 가르칠 학생들의 인지 수준 분포와 비교하는 것이다. 다시 말하면, 가르치려는 ‘물질의 상태 변화와 분자의 운동’ 내용 중에서도 ‘어떻게 서술되어 있는 어떤 구체적 내용들이’ 형식적 조작 수준을 요구하고 있는지를 알고 있고, 그리고 자신이 가르치는 중학교 1학년 학생들의 인지 수준 분포를 알고 있는 교사는 그렇지 못한 교사들에 비하여 ‘보다 학생 중심의 교수 전략’을 개발할 수가 있을 것이다. 따라서 본 연구에서 분석해 낸 ‘물질의 상태와 분자의 운동’ 내용에 대한 인지 요구도 수준에 관한 분석 자료들은 실질적으로 현장 과학 교사들이 인지 수준을 고려한 교수 전략을 개발하는데 도움되는 자료들로 사용가능하다.

다른 과학 과목들은 학년이 올라 갈수록 점차 개념들이 어려워지는데 반하여 화학 과목은 배우기 시작하는 초기부터 위계가 높은 형식적 조작 수준인 눈에 보이지도 않는 원자, 원소 기호가 필요하기 때문에 화학을 배우려면 다른 과학 과목에 비해서 입문의 턱이 높다.31415 본 연구에서는 초등학교를 갓 졸업하였으며 형식적 조작 수준이 그리 많지 않은(Table 1 자료 참조) 중학교 1학년 학생들이 학습하는 과학1 교과서에 서술 되어 있는 ‘물질의 상태’와 ‘분자의 운동’ 내용이 요구하는 인지 요구도 수준을 분석해 내려고 한다.

 

연구 방법

연구 대상 교과서

이 연구에서는 현행 2007년 개정 과학과 교육과정에 의해 현재 사용되고 있는 중학교 1학년 과학 교과서 10종 중 학교 현장에서 사용 빈도가 높은 5종의 교과서(A교과서,28 B교과서,29 C교과서,30 D교과서,31 E교과서32)와 사용 빈도가 높지는 않으나 사고력에 중점을 두고 서술된 교과서(F교과서33)를 합하여 총 6종을 선정하였다. 그리고 각 교과서에 있는 화학 영역인 ‘물질의 상태 변화’와 ‘분자의 운동’에 대한 서술 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석하였다. ‘분자의 운동’에는 ‘확산과 증발’, ‘기체의 압력과 부피’, ‘기체의 온도와 부피’, 그리고 ‘상태변화와 열 에너지’ 개념들이 포함된다. 본 연구에서는 교과서에 서술되어 있는 내용이므로 본문 내용을 포함하여 본문과 연계되는 그림 또는 표, 탐구 활동에 대한 서술 모두에 대해서 분석하였다.

연구자 구성

연구자들은 총 3인으로 과학 교과 내용의 인지 요구도 수준을 분석하는 연구에 경험이 있는 교과 교육 전문가 들이다. 내용 인지 요구도 수준의 판정에 대한 객관성을 높이기 위하여 연구자 3명 전원이 독립적으로 각자 판정을 한 후에 판정의 결과가 모두 일치한 경우 또는 일치하지 않는 경우 모두에 있어서 함께 토의하여 결과를 단일화하는 과정을 거치도록 하여 판정의 내용 타당도를 높였다. 이들은 한 학기 동안 연구 토론을 통해 세 가지 분류틀을 사용하는 방법과 판단하는 실력을 갖추었다.

인지 수준 분석틀

이 연구에 사용된 분석틀(CAT; Curriculum Analysis Taxonomy)인 < 분류틀1>, < 분류틀2>, < 분류틀3>은 원본을3 번역하여1013 사용하였다. 특히 < 분류틀3>에는 물리 내용, 화학 내용, 그리고 생물 내용이 들어 있다. 앞의 세 종류 분류틀을 개발한 영국 연구진3들은 피아제의 인지 발달 심리학에 대한 특별한 지식이 없는 과학 교사들도 용이하게 활용하도록 개발하였기 때문에 교사들이 용이하게 활용 할 수 있다. 각 분류틀들의 하위 요소가 어떻게 구성되어 있는지는 Fig. 1 과학 내용 분석틀인 < 분류틀3>에 있는 ‘C.2 상태 변화와 분자 운동’을 실례로 보면 알 수 있다.1013 다시 말하면 Fig. 1 <분류틀3>의 초기 구체적 조작기 아동들은 “고체는 ‘물로 변하고’ 액체는 ‘기체로 변한다’와 같은 단편적인 지식만을 나타낸다.” 라고 서술되어 있는 내용 정도를 이해할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 앞에 소개한 세 가지 분류틀을 사용하여 교과서에 서술되어 있는 내용이 어떠한 인지 요구도 수준인지를 판정할 수 있는 것이다. 이러한 본 연구의 분석 결과들이 부록1, 부록2, 부록3, 부록4, 부록5에 실려있다.

Figure 1.‘Changes of State’ and ‘Kinetic Theory’ in Curriculum Analysis Taxonomy.3435

이 Fig. 1을 보면 ‘상태 변화와 분자의 운동’ 내용에 대하여 구체적 조작 수준(2A), 후기 구체적 조작 수준(2B), 초기 형식적 조작 수준(3A), 후기 형식적 조작 수준(2A)으로 판정할 수 있는 분석 준거들이 들어 있는 분석틀의 실례이다. < 분류틀1>과 < 분류틀2>는 피아제의 연구를 수정·보안하여 개발되었다. 그리고 ‘화학 내용’에 대한 인지 요구도 수준인 < 분류틀3>은 < 분류틀1>과 < 분류틀2>의 내용을 각각 독립적으로 또는 두 분류틀을 복합적으로 활용하여 개발된 것이다.3 또한 < 분류틀3>에서는 10개의 화학 내용에 대해서만 인지 요구도 수준이 개발되어 있다. 그러나 화학 내용에는 위의 10가지 이외에도 더 많은 관련 과학 내용들이 있다. 이 연구에서는 10가지 내용에 대해서는 < 분류틀3>을 활용하여 분석하였고, 그 외의 화학 내용에 대한 인지 요구도 수준은 < 분류틀1>과 < 분류틀2>의 내용을 각각 독립적으로 활용하여 분석하기도 하였고, 때로는 두 분류틀 측면을 복합적으로 활용하여 분석하기도 하였다.

다음은 세 분류틀의 제목과 구성하고 있는 하위 요소들 이다.31013

첫 번째 < 분류틀1>의 제목은 ‘아동과 주위 환경과의 상호작용에서의 심리학적 특성에 대한 인지 요구도’이며 다음과 같이 총 6개의 하위 요소로 구성되어 있다.3435 ① 분류틀1.1 흥미와 관찰방식, ②분류틀1.2 사건에 대한 추론, ③분류틀1.3 관계, ④분류틀1.4 모델의 사용,⑤분류틀 1.5 범주화, ⑥분류틀1.6 기술적인 문장에 대한 해석의 깊이. 본 연구에서는 하위 요소 6개를 모두 사용하였다.

두 번째 < 분류틀2>의 제목은 ‘과학적 사고 논리 인지 요구도’이며 다음과 같이 총 9개의 하위 요소로 구성되어 있다.1013 ①분류틀2.1 보존 논리, ②분류틀2.2 비례 논리, ③분류틀2.3 계의 평형, ④분류틀2.4 수리적 조작, ⑤분류 틀2.5 변인 통제, ⑥분류틀2.6 변인 배제, ⑦분류틀2.7 확률적 사고 논리, ⑧분류틀2.8 상관 논리, ⑨분류틀2.9 측정 기술. 이 연구에 사용된 하위 요소는 ①분류틀2,1, ② 분류틀2.2, ③분류틀2.3, ⑤분류틀2.5, ⑨분류틀2.9이다. 다시 말하면 과학1의 화학 영역에서 학생들이 활용할 논리 사고력은 보존 논리, 비례 논리, 계의 평형, 변인 통제 논리, 그리고 측정 기술임을 보여주고 있다.

세 번째 < 분류틀3>의 제목은 ‘화학 내용 인지 요구도’ 이며 다음과 같이 총 10개 화학 내용의 하위 요소로 구성 되어 있다.1013 ①분류틀C.1 용해, ②분류틀C.2 상태 변화와 분자 운동(Fig. 1), ③분류틀C.3 반응 속도, ④분류틀C.4 원소, 원자설, ⑤분류틀C.5 화합물, 화학식, 화학반응, ⑥ 분류틀C.6 산과 염기, ⑦분류틀C.7 산화, 환원, ⑧분류틀 C.8 화학 평형, ⑨분류틀C.9 화학물질, 에너지, ⑩분류틀 C.10 유기화학. 이 연구에 사용된 하위 요소는 ①분류틀 C.1 용해 그리고 ②분류틀 C.2 상태 변화와 분자 운동이다.

 

연구 결과 및 논의

이 연구에서는 6종 ‘과학1’ 교과서28−33에 서술되어 있는 ‘물질의 상태 변화’와 ‘분자 운동’ 내용에 대한 인지 요구도를 분석하였다. 교과서에 서술된 모든 화학 내용이 요구하는 인지 수준을 분석하고 판정하여 얻어진 부록1~부록5에 들어 있는 연구·분석 결과에는 높은 인지 수준부터 낮은 인지 수준들이 모두 실려 있다. 부록1~부록5에 있는 교과서 내용의 인지 요구도를 분석해 낸 연구 결과들은 ‘인지수준분류요소-인지수준판정결과’를 ‘1.5-판정2B’ 형태로 표현하여 부록1~부록5의 맨 오른쪽 칸에 제시하였다. 그러나 다음의 연구 결과에서 논의할 때에는 학생들이 화학 개념을 이해하는 과정에서 어려운 단계가 될 ‘높은 인지 요구도 수준’ 내용들만 중점적으로 논의하였다. 왜냐하면 학생들은 여러 인지 요구도 수준 내용들 중에서도 ‘높은 인지 수준을 요구하는 서술 내용’을 어려워 할 것이라고 가정하였다. 즉, GALT 척도에 의하여 분류된 구체적 조작 수준은 본 연구에 사용한 Genevan 척도로는 초기 구체적 조작 수준(2A; early concrete operation)을 의미한다(Table 1). 따라서 본 연구 대상인 중학교 1학년 학 생들 중에서 구체적 조작 수준 학생들은 Genevan 척도로 분석된 후기 구체적2B, 초기 형식적3A, 후기 형식적3B 과학 내용을 이해하는데 어려움을 갖게 된다는 가정이다.

‘물질의 상태 변화’ 인지 요구도 분석

앞의 세 가지 분류틀(CAT; Curriculum Analysis Taxonomy) 을 사용하여 ‘과학1’ 교과서에 서술되어 있는 ‘물질의 상태 변화’ 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석하였다(부록1 분석 자료 참조). 중학교 과학1 해당 단원 ‘초기’에 물질의 세 가지 상태를 설명할 때에 교과서 A, B, C, D, E는 우리 주변에 존재하는 실례들을 보여주면서 분자들이 서로 가까이 접근해 있거나 혹은 멀리 떨어져 있는 그림만 제시하고 분자 운동에 대해서는 설명하지 않고 있어서 후기 구체적 조작 수준 2B(분류틀 C.2 상태 변화와 분자 운동)이다.31013 다만 교과서F는 단원 초기부터 그림에 물질의 상태를 분자 모형을 활용하여 분자 운동을 표현하는 ‘선’을 사용하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준 3A(분류틀 C.2)이다. 그러나 해당 그림을 설명하는 서술에서는 분자 운동으로 설명하지 않고 있다. 분자 운동론을 활용하여 물질의 입자 상태에 따라서 고체, 액체, 기체에 대해서 설명하면 초기 형식적 조작 수준 3A(분류틀 C.2)이다.31013

해당 단원 ‘초기’ 이후부터는 교과서 6종 ‘물질의 세 가지 상태’를 에너지 변화로 설명하지는 않고 있으나 ‘분자 모형’을 활용하여 ‘분자 배열’의 변화로 설명하고 있어서, 이 또한 분자 운동론을 운영하여 설명하고 있기 때문에 초기 형식적 수준 3A(분류틀 C.2 상태 변화와 분자 운동)이다. 교과서A는 대부분의 물질은 눈에 보이지 않는 작은 알갱이로 이루어져 있고 물질의 고유한 성질을 가진 가장 작은 알갱이로 분자를 설명하고 있는 내용이 ‘분류틀 C.1 용해’에 의하여 초기 형식적 조작 수준 3A이다. 학습자인 구체적 조작 수준 학생들에게는 이러한 인지 요구도 수준인 물질의 상태 변화나 용해 개념은 이해가 잘 안 될 수 있는 어려운 개념이 될 수 있다(부록1 분석 자료).

교육 과정 해설서8의 유의 사항을 보면, 물질의 세 가지 상태는 분자 모형을 활용하여 분자 배열의 변화로 물질의 상태 변화를 설명하되 처음부터 에너지 변화로 설명하지 않도록 제시하고 있다. 단원 처음부터 에너지 변화로 물질의 상태 변화를 설명하고 있는 교과서는 없었으나, 분자 운동론을 활용하면서 설명하고 있으면 초기 형식적 조작 수준이 된다.

‘확산과 증발’ 인지 요구도 분석

앞의 세 가지 분류틀을 사용하여 ‘과학1’ 교과서에 서술되어 있는 ‘확산과 증발’ 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석하였다(부록2 분석 자료 참조). ① 모델의 사용 측면에서 눈에 보이지도 않는 분자들을 형식적 모형을 사용하면서(분류틀 1.4) ‘확산과 증발’ 내용을 설명하면 초기 형식적 수준 3A이다. ‘분류틀 1.4 모델의 사용’에 의하면 초기 형식적 수준 3A의 경우 ‘실체를 간접적으로 해석 할 수 있는 형식적 모델’을 사용하는 경우에, 사용하고 있는 모델이 가상이 아닌 사실처럼 여기기도 한다고 한다. ② 분자 운동 측면(분류틀 C.2)으로 ‘확산과 증발’ 내용을 설명하고 있으면 초기 형식적 수준 3A이다. ③ ‘물리 분석틀 P.8 온도와 열’ 측면에서 열이나 온도의 변화를 분자 운동과 연관하여 설명하면3 초기 형식적 수준 3A이다. ④ 물리 분석틀 P.9 분자 운동에 대한 구체적 모델은 없다고 하였다. 다시 말하면 입자를 활용한 분자 운동 설명은 형식적 조작 수준이라는 것이다.

이 연구에서의 6종 교과서 모두에 서술되어 있는 확산과 증발 내용은 앞의 분류틀 1.4, 분류틀 C.2, 물리 분류틀 P.8, P.9에 의하여 모두 초기 형식적 수준의 내용 요구도로 판정 되었다(부록2 분석 자료 참조). 다시 말하면 확산과 증발을 이해하려면 ‘모델의 사용’, ‘상태 변화와 분자 운동’, ‘열과 에너지’ 세 가지 측면에서 초기 형식적 인지 수준을 요구하고 있음을 알 수 있다. 그렇기 때문에 학습자인 중학교 1학년 학생들 중에서 구체적 조작 수준 학생들은 이러한 인지 요구도 3A 수준인 확산과 증발 개념은 이 해가 잘 안될 수 있는 어려운 개념이 될 수 있다(부록2 분석 자료 참조).

‘기체 압력과 부피’ 그리고 ‘기체 온도와 부피’ 인지 요구도 분석

앞의 세 가지 분류틀을 사용하여 ‘과학1’ 교과서에 서술되어 있는 ‘기체 압력과 부피’와 ‘기체의 온도와 부피’ 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석하였다(부록3과 부록4 분석 자료 참조). 교과서 6종 모두 ‘기체의 압력과 부피’ 그리고 ‘기체 온도와 부피’의 그래프를 사용하고 있으며 그에 따른 부피와 기체 압력 또는 부피와 온도와의 관계를 설명하고 있다. ① ‘분류틀 1.3 관계’에 의해 ‘두 개의 독립 변수 사이의 함수 관계’를 사용하면 초기 형식적 수준 3A이다. ② 이러한 ‘관계’개념은 ‘분류틀 2.2 비례논리’인 논리 사고 측면에서도 또한 초기 형식적 수준 3A이다. ③ 계의 평형 측면(분류틀 2.3)에서도 두 독립 변수 사이가 서로 관계가 있음을 알면 초기 형식적 수준 3A이다. ④ 상태 변화를 분자 운동 측면으로 설명하고 있으면 초기 형식적 수준 3A(분류틀 C.2)이다. ⑤ 물리 분류틀 P.2 압력, P.8 온도와 열, P.9 분자 운동에 의하여 형식적 수준 3A이다.

이 연구에서의 6종 교과서 모두 기체의 압력과 부피와 기체 온도와 부피 내용에는 이와 관련된 그래프들이 많이 들어 있다. ‘관계’, ‘비례 논리’, ‘계의 평형’, ‘상태 변화와 분자 운동’ 요소들이 들어 있으며, 그리고 이들 모두 초기 형식적 수준 3A를 요구하고 있다는 것을 알 수 있었다(부록3과 부록4 분석 자료 참조). 즉 기체 압력과 부피 내용에는 앞의 네 가지 측면에서 교과서 6종 모두가 초기 형식적 조작 수준이라고 판정이 되었다. 다시 말하면 위와 같은 그래프를 이해하려면 적어도 초기 형식적 인지 수준은 되어야 한다는 것을 알 수 있었고 그리고 이 내용 영역이 학습자들에게 높은 인지 수준을 요구하고 있다고 말할 수 있다. 그렇기 때문에 형식적 조작 수준인 중학교 1학년 학생들은 기체 압력 또는 부피와 온도와의 관계 내용을 이해하기가 어렵지 않으나, 중학교 1학년 학생들 중에서 구체적 조작 수준 학생들은 예로 인지 요구도 3A 수준인 ‘기체 압력과 부피’ 또는 ‘기체 온도와 부피’ 개념이나 관련 그래프 개념은 이해가 잘 안될 수 있는 어려운 개념이 될 수 있다(부록 3과 부록 4 분석 자료 참조).

‘상태 변화와 열에너지’ 인지 요구도 분석

앞의 세 가지 분류틀을 사용하여 ‘과학1’ 교과서에 서술되어 있는 ‘상태 변화와 열에너지’ 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석하였다(부록5 분석 자료). ① 물리 내용 분석틀 P.8 온도와 열 측면에서 열이나 온도의 변화를 분자 운동과 연관하여 설명하면3 초기 형식적 수준 3A이다. ② ‘분류틀 1.3 관계’에 의해 ‘두 개의 독립 변수 사이의 함수 관계’를 사용하면 초기 형식적 수준 3A이다. ③ 모델의 사용(분류틀 1.4) 측면에서 ‘분자 모형’을 활용하여 물질의 ‘상태 변화’로 설명하면 초기 형식적 수준 3A이다. ④ 이러한 ‘관계’ 개념은 ‘분류틀 2.2 비례 논리’인 논리 사고 측면에서도 또한 초기 형식적 수준 3A이다. ⑤ 계의 평형 측면(분류틀 2.3)에서도 두 독립 변수 사이가 서로 관계가 있음을 알면 초기 형식적 수준 3A이다. ⑥ 측정 기술(분류틀 2.9) 측면에서 열에너지를 x축으로, 끓는점이나 녹는점을 y축으로, 그려진 열에너지/온도 그래프에서 수평 상태에서 온도가 올라가지 않고 일정하게 유지되며 이때에 상태 변화가 일어난다는 사실을 이해하면 초기 형식적 수준이다. ⑦ 화학 내용 분류틀 C.2 측면에서 분자 운동론을 운영하여 물질의 ‘상태 변화’를 설명하고 있으면 초기 형식적 수준 3A이다. ⑧ 물리 분석틀 P.8 온도와 열, P.9 분자 운동에 의하여 형식적 수준 3A이다.

상태 변화와 열에너지에 ‘가열 또는 냉각 곡선에 대한 가열 시간과 온도의 그래프’와 설명이 6종 교과서 모두에 실려 있다. 과학과 교육 과정 해설서를 보면, “가열 또는 냉각 곡선의 가열 시간과 온도의 그래프를 해석할 때, 수평한 부분의 온도가 녹는점이나 끓는점 혹은 어는점임을 단순히 암기하여 받아들이지 않도록 한다.”라고 제시하고 있다. 그러나 ‘가열 또는 냉각 곡선’은 앞에서 제시한데로 7개 요소 측면에서 모두 초기 형식적 수준 3A를 요구 하고 있다는 것을 보면 중학교 1학년 학생들 중 구체적 조작 수준 학생들은 이해하기에 어려운 개념이다. 이러한 ‘가열과 냉각 곡선’은 어려운 개념인데도 화학 개념의 위계 때문에 중학교 과학1에 놓여 있는 것이다.

이러한 ‘가열 또는 냉각 곡선에 대한 가열 시간과 온도의 그래프’와 설명에는 ‘물리 내용의 P.8 열과 에너지과 P.9 분자 운동’, ‘모델의 사용’, ‘관계’, ‘비례 논리’, ‘계의 평형’, ‘측정 기술’, ‘화학 내용 분류틀의 C.2 상태 변화와 분자 운동’ 등 많은 요소들이 들어 있다(부록5 분석 자료 참조). 열에너지를 x축으로, 끓는점이나 녹는점을 y축으로, 그려진 열에너지/온도 그래프와 같은 그래프를 이해하려면 앞에서 제시한 여러 요소 측면이 모두 필요하다. 그리고 인지 수준 분석 결과 모든 측면에서 모두 초기 형식적 인지 수준이라는 것을 알 수 있었다. 그렇기 때문에 학습자들인 형식적 조작 수준 중학교 1학년 학생들은 ‘상태 변화와 열에너지’ 서술 내용을 이해하나, 구체적 조작 수준 학생들에게는 초기 형식적인 요구도 3A 수준인 ‘열에너지와 온도’ 그래프 개념은 이해가 잘 안될 수 있는 어려운 개념이다(부록5 분석 자료 참조).

교육과정 해설서3435에는 “물질의 세 가지 상태는 분자 모형을 활용하여 분자 배열의 변화로 이해하는 것이 핵심이며, 처음부터 물질의 세 가지 상태를 에너지와 관련시켜 설명하지 않도록 한다”라고 서술되어 있다. 그러나 위의 연구 분석에 의하면 에너지와 관련하지 않은 초기 내용도 분자 운동과 관련하여 설명하면 초기 형식적 조작 수준이어서 역시 구체적 조작 수준의 학습자들에게는 어려운 내용이 될 수 있다는 것을 알 수 있었다. 실제로 ‘과학1’의 화학 내용 자체가 눈에 보이지 않는 원자 수준으로 보이지 않는 형식적 조작의 개념이어서 구체적 수준 학생들에게는 원자 수준의 화학 내용은1415 틀림없이 어려운 개념이다.

다시 말하면 화학은 위계적으로 연관이 되는 이전의 개념을 잘 이해하지 않고서는 이후의 새로운 개념을 학습 하는 데는 많은 어려움이 발생한다. 따라서 어쩔 수 없이 개념 위계에 의하여 하위 학년 학생들에게 어려운 개념 들을 학습하게 되는 경우가 많이 존재하고 있는 것이 현실이다.

 

결론 및 제언

중학교 학생들이 어렵다고 하는 2007 개정 교육과정에서 사용되고 있는 ‘과학1’ 교과서 중에서 ‘물질의 상태 변화’와 ‘분자 운동’ 교과 내용의 인지 요구도 수준이 어떠한 수준인지를 분석했다. 해당 교과서에 서술되어 있는 내용들을 CAT의 세 가지 분류틀인 분류틀1, 분류틀2, 분류틀3을 근거로 인지 요구도 수준을 판정했다. 교과서 내용이 요구하는 인지수준은 초기 구체적 조작 수준(2A), 후기 구체적 조작 수준(2B), 초기 형식적 조작 수준(3A), 후기 형식적 조작 수준(3B)로 세분화되어 있다. 교과서의 인지 요구도 수준 분석은 분석 과정을 자세히 제시하여 누구나 교과 내용 분류틀의 사용 방법을 알 수 있게 하였고, 분석 결과는 각 내용 별로 판정 근거를 상세히 서술하여 쉽게 이해할 수 있도록 정리하였다.

이 연구에 의하여 얻어진 ‘과학1’ 교과서에 서술되어 있는 ‘물질의 상태 변화’와 ‘분자 운동’ 내용이 요구하는 인지 요구도를 분석한 부록1, 부록2, 부록3, 부록4, 부록5의 결과물들과 이 결과들을 종합하여 얻어진 결론을 보면 다음과 같다.

첫째, 단원 초기에 물질의 세 가지 상태를 설명할 때에는 그 서술 내용이 요구하는 높은 인지 수준이 6종 모두 후기 구체적 조작 수준이다. 그러나 단원의 초기 이후부터는 이에 대한 설명이 모두 초기 형식적 수준이다. 분자 배열과 분자 모형에 관한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 모든 6종 교과서가 분자 운동으로 서술하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준이다.

둘째, 확산과 증발 개념에 대한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 6종 교과서 모두 초기 형식적 조작 수준이다. 왜냐하면 상태 변화를 분자 운동론으로 서술하고 있어서 초기 형식적 조작 수준이다.

셋째, 기체의 압력과 부피, 기체의 온도와 부피 개념에 대한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 교과서 6종 모두 초기 형식적 조작 수준이다. 그래프를 통해 보일 법칙과 샤를 법칙을 이해해야 하기 때문에 학생들은 고차식의 그래프를 해석해야 하며, 두 독립변수 사이의 관계를 발견해야 하므로 초기 형식적 조작 수준이다.

넷째, 상태 변화와 열에너지 개념에 대한 내용이 요구하는 높은 인지 수준은 교과서 6종 모두 초기 형식적 조작 수준이다. 물질의 끓는점과 어는점을 설명하는 고차식 그래프의 해석 능력을 요구하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준이다. 물질의 상태 변화와 온도의 관계도 분자 운동론을 이용하여 서술하고 있기 때문에 초기 형식적 조작 수준이다.

결론적으로 6종 교과서 모두 단원의 초기에 물질의 세가지 상태를 설명할 때는 후기 구체적 조작 수준이나, 그 이후의 관련 내용 설명에서는 초기 형식적 조작 수준을 요구하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 13세인 우리나라 중학교 1학년 학생들 중에서 아직도 구체적 조작 수준에 해당하는 학생들의 분포가 많은 경우는 63.1%이고 적은 경우는 23.0%로 나타난 연구 결과들을 토대로 할 때에, 이러한 분포를 이루고 있는 구체적 조작 수준의 학생들은 구체적 수준보다 높은 과도기 수준인 후기 구체적 수준이나 초기 형식적 조작 수준을 요구하는 ‘물질의 상태 변화’, ‘분자 운동’ 내용을 이해하기는 어려움을 갖게 될 것이라고 결론을 내릴 수 있었다.

이 연구의 결론을 토대로 다음과 같은 제언들을 하고자 한다.

맨 먼저 이 연구의 결과들을 어떻게 활용할 수 있는지를 구체적으로 살펴보겠다. 학생들의 인지 수준과 학습 내용 요구 수준이 일치하는 경우에 학생들의 내용 이해도는 높다고 한다. 또한 형식적 조작 수준의 과학 내용을 구체적 수준 학생들에게 그대로 가르치면 그 학생들의 이해도가 낮다고 한다. 그렇다고 해서 학생들의 인지 수준과 학습 내용 요구 수준이 일치하게 가르쳐야 한다는 의미는 아니다. 엄밀히 말하면 과학 개념들은 개념 자체가 요구하는 최고의 인지 요구도가 각각 존재 한다. 이러한 문제를 해결하는 방법 중 하나로 어려운 학습 내용 수준을 보다 낮게 보여 줄 수 있는 여러 실례들을 많이 경험하게 하면 학생들은 이해의 물꼬가 트인다는 가정이다.

중학교 1학년 학생들의 인지 수준 분포가 일괄적으로 일정 분포라고 생각하는 것은 바람직하지 않기 때문에, 과학 교사들은 자신이 가르치는 대상 학생들의 인지 수준 분포를 조사하여 알아낸 후에 자신의 교수 전략에 참고하는 것이 바람직하다. 교사들은 인지 수준 검사 도구를 사용하여 그들이 가르치는 학생들의 인지 수준 분포를 조사하여 파악하는 것이 좋으며, 교사 나름대로 학생들의 인지 수준과 학습 내용의 인지 요구도의 부합 여부를 고려한 수업 방안을 구상하고 수업 전략 수준을 결정하면 많은 학생들에게 보다 이해도가 증진되는 수업이 진행될 수 있을 것이다. 이러한 과정에 본 연구에서 얻어진 ‘물질의 상태 변화’과 ‘분자의 운동’에 대한 구체적 하위 개념에 해당하는 부록에 실려 있는 인지 요구도 수준들이 참고가 되었으면 한다.

즉, 인지론적 관점에서 연구하여 얻어진 본 연구 결과물인 부록1, 부록2, 부록3, 부록4, 부록5에 들어 있는 과학1 교과서 서술 내용에 대한 인지 요구도를 알아낸 자료들은 현장 과학 교사들에게 어떤 개념들이 어떤 수준의 학생들에게는 어려울 수 있음을 알 수 있게 해주기 때문에 교사의 교수 전략 구상에 도움을 줄 수 있다. 다시 말하면 교과 내용의 인지 요구도와 학생의 인지 수준의 부합을 고려한 교수 전략을 재구성하는 과정에서 본 연구에서 산출된 결과들을 활용할 수 있을 것이다.