The Effects of Chemistry Class Using Computer-Based Science Inquiry Program on Positive Experiences about Science, Science Core Competency, and Academic Achievement

컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 화학 수업이 과학 긍정경험, 과학과 핵심역량 및 학업성취도에 미치는 영향

Abstract

The purpose of this study is to investigate the effects of learning using computer-based science inquiry program. To this end, the three lessons computer-based science inquiry were developed in domain of material's properties. The developed program was put into K middle school located in Seoul and the effects were verified. For the experimental group, the three lessons computer-based science inquiry related to the separation of mixture were introduced, and for the comparison group, the contents presented in the textbook were introduced as a teacher-centered teaching method. To verify the effects of the program, 2-way ANCOVA was performed on positive experiences about science and science core competency, and 2-way ANOVA was performed on academic achievement. As a result of the study, there were significant differences between the two groups in positive experiernces about science and scientific core competencies and academic achievement (p<.05), and group^*gender interaction effect was only significant in academic achievement (p<.05). From the results of this study, we could see the possibility of using a computer-based science inquiry program as a chemistry teaching method that enables sustainable scientific inquiry.

이 연구는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 화학 수업의 효과를 알아보기 위한 것이다. 이를 위해 물질의 특성 영역에서 3차시의 컴퓨터 기반 과학 탐구를 중심으로 하는 교수학습 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 서울에 위치한 K 중학교에 투입하여 효과를 검증하였다. 실험집단은 혼합물의 분리와 관련된 3차시의 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 도입되었으며, 비교집단은 교과서에서 제시한 내용을 교사 중심의 강의법으로 도입하였다. 프로그램의 효과를 검증하기 위하여, 과학 긍정경험과 과학과 핵심역량은 이원공분산분석(2-way ANCOVA)을, 학업성취도는 이원분산분석(2-way ANOVA)을 실시하였다. 연구 결과, 과학 긍정경험, 과학과 핵심역량, 학업성취도에서 모두 두 집단 간 차이가 유의미하였으며(p<.05), 학업성취도에서만 집단^*성별 상호작용 효과가 유의미하였다(p<.05). 이 연구 결과로부터 지속적인 과학 탐구가 가능한 화학 수업 방법으로 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램의 활용 가능성을 엿볼 수 있었다.

서론

현대 사회는 역동적인 환경 변화와 함께 과학 지식이 폭발적으로 증가하고 있어 학교 교육은 과학 지식을 전수하는 것에서 미래의 변화에 대응하는 역량을 함양하는 것으로 변화하고 있다. 학교 교육을 통한 역량 함양을 지속적으로 강조하는 세계적인 추세에 따라 우리나라도 기초소양과 역량의 함양을 강화하는 교육과정으로 변화하고 있으며, 과학 과목의 경우 단편적인 지식교육에서 탈피하여 과학의 핵심 개념을 중심으로 문제를 해결하는 실천 중심의 탐구가 더욱 강조되고 있다.¹⁻³ 과학 탐구는 지속적으로 과학교육의 중요한 요소로 간주되어왔다.^3,4 특히, 학생들은 과학 탐구를 수행하는 과정에서 지식을 스스로 조절하고 탐구와 관련된 기능을 내면화하며 학생 스스로 생성한 질문에 대해 해결 방안을 도출하거나 새로운 지식을 형성하는 과정을 거치게 된다. 이에 구성주의 학습이론이 강조되면서 과학교육에서 탐구의 중요성은 더욱 강조되었다.⁵ 더불어 2022 개정 교육과정에서도 2015 개정 교육과정의 운영 등 그간의 과학 교육의 운영 실태를 바탕으로, ‘과학다운 과학’의 모습을 찾는 과학 교육과정을 주요 개정 방향으로 제시하면서 여전히 과학 탐구의 중요성이 강조되고 있다.⁶

과학 탐구는 과학교과에 대한 학생들의 흥미를 유발할 수 있어 과학에 긍정적인 태도를 갖게 하며, 과학적 사고력과 과학의 본성을 이해하는데 도움을 주기도 한다.^7,8 또한, 일부 연구에서는 과학 탐구가 학생들의 과학적 개념 이해에 도움을 준다고 보고하였다.^9,10 이처럼 과학 탐구는 정의적 영역뿐만 아니라 인지적 영역에도 영향을 주기 때문에 과학 수업에서 중요한 요소이다.^11,12

이러한 이유로 과학 교육에서 과학 탐구와 관련된 많은 연구가 수행되었다. 하지만, 대부분의 과학 탐구 관련 연구는 주로 교실 수업의 환경에 국한되어 있다.^13,14 특히, 과학 탐구를 실험 수업과 같은 상황으로 제한하여 연구를 진행하기도 하였다.¹⁵⁻¹⁷ 이러한 물리적 환경의 제한에 따른 과학 탐구의 수행은 급변하는 교육환경 변화에 유동적이지 못하다는 단점이 있다. 물론, VR이나 AR과 같은 가상 환경의 과학 탐구를 시도하거나, 디지털 기기를 활용한 과학 탐구를 시도하는 연구도 있었으나 이러한 연구 역시 교수학습이 이루어지는 환경은 교실 공간이라는 제한 사항은 동일하다.^18,19

이러한 탐구 활동의 공간 제약은 코로나19가 발생하면서 큰 위기에 맞닿게 되었다. 감염증 확산을 막기 위해 정부는 ‘사회적 거리두기’를 시행하였으며, 이에 따라 2020년부터 온라인 수업이 대면 수업을 대체하는 하나의 수단이 되면서, 교육환경의 범위가 학교 교실 중심의 전통적인 교육 환경에서 벗어나 온라인으로까지 확장되었다.²⁰ 또한 온라인 환경의 수업이 교수학습뿐만 아니라 평가에도 활용될 수 있도록 훈령이 개정되면서, 온라인 수업은 대면수업과 대등한 하나의 교육으로 자리를 잡게 되었다.²¹ 이와 같은 변화에 따라 2022 개정 교육과정 총론에서는 온라인 교육과정 운영 및 평가에 대한 근거를 마련하여 변화된 교육환경이 학교 교육에 반영되도록 노력하고 있다.²

하지만 이러한 교육환경 변화에 학교 현장이 능동적으로 대처하고 있지는 못하고 있으며, 여러 연구에서 교육환경 변화에 따른 수업의 질 하락과 학생들의 학업 성취 하락을 우려하고 있다.^22,23 새로운 교육환경은 온라인 수업을 경험하지 못한 교사들에게 어려움으로 작용하였으며, 특히 학생의 수행이 강조되는 실기나 실습 수업 진행의 어려움으로 이어졌다.^24,25 이에 교실 환경에만 국한되지 않고 온라인 수업환경에서도 과학 탐구를 수행할 수 있는 수업에 대한 요구가 계속되고 있다. 이러한 요구에 부응하고자 온라인 수업에서 실험, 토론 등과 같은 다양한 수업사례가 공유되고 있으나, 현장에서는 수업 사례의 공유에서 더 나아가 교사들이 온라인 수업 환경에서 바로 활용할 수 있는 탐구 활동 관련 프로그램이나 플랫폼과 같은 적극적인 대처가 필요하다는 지적이 있다.²⁶

그동안 과학 수업에서 활용되는 가상 실험, 스마트 기기, ICT 활용 수업 등의 효과를 알아본 연구들은 교실환경의 수업에서 탐구 활동 중에 기기를 활용하는 경우가 대부분이었다.^18,19,27 그러나현재의과학수업에서는온라인수업에서도 실험 등의 수행이 가능할 뿐만 아니라 과정중심평가에서 원하는 학생들의 학습과 성장이 기록되는 기능을 원하고 있다. 이에 수업의 전 과정에서 활용되며, 학생들의 수업 중 활동과 응답 등을 기록할 수 있는 역할을 할 수 있는 새로운 과학 탐구 프로그램이 필요하다. 온라인 수업에서 효과적으로 활용되기 위해서는 과학 수업의 전과정에서 활용될 수 있도록 과학 탐구 활동뿐만 아니라 동기유발, 전시학습 확인, 평가 등이 적절히 구현되어야 하며, 과정중심평가를구현할수있도록학생의 학습과정을 추적하고 이를 자동 저장하는 것이 필요하다. 또한 현실적으로 대면 수업과 유사한 효과를 얻기 위해서 교사가 학생들의 참여를 확인하고 학생의 수업 과정을 실시간으로 모니터링하는 것도 필요하다.

이에 이 연구는 교육환경의 변화에도 지속적인 과학 탐구 수업을 수행할 수 있도록, 온라인 수업과 대면 수업 모두에서 활용할 수 있는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램의 효과를 검증하고자 한다. 또한, 디지털과 관련된 컴퓨터 기반 학습의 효과는 성별에 따라 달라질 수 있다고 알려져 있으며, 여학생이 남학생에 비해 디지털 기기를 적극적으로 사용하기 때문에 디지털 리터러시가 높다는 연구²⁸를 참고로 하여 성별에 따른 효과도 분석하고자 하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 화학수업이 과학 긍정경험을 향상시키는가?

둘째, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 화학수업이 과학과 핵심역량을 신장시키는가?

셋째, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 화학수업이 학업성취를 향상시키는가?

연구 방법

연구 대상

이 연구의 대상은 서울특별시 성북구에 위치한 남녀공학인 K 중학교 2학년 4개 학급(N=108)이다. 학교에 연구의 취지를 설명하고 공식적인 협조를 받아 연구를 진행하였으며, 학생들에게도 연구 동의를 받아 연구가 수행되었다. 4개 학급 중 연구를 위해 2개 학급은 실험집단으로, 2개 학급은 비교집단으로 선정하였으며, 2015 개정 과학과교육과정에서 혼합물의 분리와 관련된 내용이 물질의 특성에서 다루어지기 때문에 이 영역이 다루어지는 과학 정규 수업시간을 활용하였다. 이때 컴퓨터 기반의 혼합물을 분리하는 과학 탐구를 수행하는 수업을 실험집단에게 적용하였으며, 비교집단에게는 탐구 활동 없이 혼합물의 분리를 강의식 수업으로 진행하였다. 두 집단의 연구 대상자는 Table 1과 같다.

Table 1. Participants (N=108)

실험 설계

이 연구는 정규 과학수업시간에 연구가 진행됨에 따라 4개 학급의 학생을 무선으로 실험집단 또는 비교집단에 할당하는 진실험설계(experimental design)를 진행할 수 없었다. 따라서이연구는학급을기준으로 2개집단을구분하는 준실험설계(quasi-experimental design)로 연구 대상을 구분하였다. 다만, 준실험설계에서 가장 최선의 대안으로 간주되는 비동등 비교집단 전후검사 설계(nonequivalent comparison group design with pretest and posttest)로 연구를 진행하여 준실험설계가 갖는 위협을 최소화하고자 하였다.^29,30

이 연구는 중학교 과학 물질의 특성 영역에서 혼합물의 분리 내용에 대해 진행되었다. 2015 개정 과학 교육과정에서는 물질의 특성 영역에 해당하는 성취기준은 [09과 13-01]~[09과 13-05]로 5개의 성취기준이 제시되어 있으며, 2개가 물질의 특성을, 나머지 3개가 혼합물의 분리와 관련된 내용을 다루고 있다. 중학교 교육과정에서 일반적으로 혼합물의 분리를 3~6차시를 다루고 있다. 교사 중심의 강의법의 경우 보통 3차시로 진행되며, 혼합물의 분리 실험을 포함할 경우 더 많은 차시가 요구된다. 이 연구에는 강의법과 컴퓨터 기반 탐구 수업을 동일한 3차시로 수업을 진행하였다. 강의법과 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업의 효과를 비교하므로 유사한 수업 시간이 필요했으며, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업이 실제 실험 수업에 비해 적은 시간이 요구되어 3개 차시로 수업을 진행할 수 있었다. 두 집단에 대한 수업은 2021년 10월 중순에 2주에 걸쳐 진행되었다. 2개 집단에 적용된 수업의 주요 내용은 Table 2와 같다. 비교집단도 실험집단과 동일한 성취기준에 대한 내용을 교과서와 교과서에서 제시한 탐구 활동을 중심으로 수업이 진행되었다. 두 집단에서 다루는 내용은 크게 다르지는 않았지만, 비교집단의 경우 실제 탐구 실험이 진행되지는 않았으며 교과서와 교과서 기반의 활동지를 중심으로 수업이 진행되었다. 비교집단도 교과서에서 제시된 동기유발(예를들어, 1차시에서 무인도에서 식수를 구하는 방법 생각해보기) 및 수업 내용 정리가 모두 제공되었다. 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램으로 수업을 진행하는 경우 컴퓨터 시뮬레이션의 장점을 살려 1차시에서는 증류를 통한 혼합물의 분리에서 입자 모형을 활용한 시뮬레이션을 통해 이해를 도왔으며, 2차시에서는 온도를 세밀하게 조절하면서 두 물질을 분리하는 온도를 스스로 찾아볼 수 있는 기회를 제공하여 적극적인 참여가 가능하도록 하였다. 3차시의 경우 비교집단에게는 교과서에서 밀도 차를 이용한 혼합물 분리를 제시하였다. 반면에 실험집단에게는 최종적으로는 밀도 차를 이용한 혼합물의 분리를 활용하지만, 밀도 차 외에도 앞에서 다룬 2가지 분리 방법을 모두 활용하여 혼합물을 분리하는 실험을 스스로 수행하도록 하는 활동을 제공한다는 점에서 차이가 있다. 일반적으로 3가지 활동을 모두 실험으로 진행하면 시수에 대한 부담이 있기 때문에 이중 1~2개 정도를 직접 실험으로 진행하는데, 코로나19 상황으로 인하여 학교 현장에서 실험을 직접 수행하지 못하고 있었다. 또한 재결정 실험의 경우 대면수업 상황에서도 광범위한 온도 범위 내에서 세밀하게 온도를 체크해야 하기 때문에 직접 실험이 어렵다. 따라서 연구 대상 학교가 연구 투입 시기에 진행하고 있던 수업방식을 그대로 따르는 것을 비교집단 수업으로 설정하였으며, 이에 따라 비교집단은 교과서와 활동지 중심의 수업을 대면으로 진행하였다. 이 연구에서 투입된 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램의 경우 온라인 수업과 대면 수업에서 모두 활용이 가능하나 비교집단이 대면 수업이 진행되었고, 프로그램의 사용법 등으로 인한 어려움 등이 생길 수 있음을 고려하여 실험집단은 컴퓨터실에서 대면 수업으로 진행되었다.

Table 2. The main activities by group

이 연구에서 제공한 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램은 컴퓨터를 이용한 탐구 활동만을 수행하도록 구성된 것이 아니며, 동기유발 영상, 전시학습 확인 퀴즈, 시뮬레이션기반 과학 탐구 활동, 가설 설정, 실험 설계, 자료 분석 및 해석, 결론 도출 및 일반화 등과 관련된 학생들의 응답과 응답에 따른 피드백으로 구성되었다. 컴퓨터 기반 과학탐구 프로그램의 주요 내용은 다음과 같다. 1차시는 끓는점을 이용한 혼합물의 분리로, 학생들은 동기유발 영상을 시청한 후 가설을 설정하고, 물과 에탄올을 가열하는 실험을 진행한다. 학생들은 50, 70, 90, 100 mL의 부피에 해당하는 액체가 무작위로 할당되며, 자신에게 할당된 부피로 액체를 가열하는 실험을 실시한 후 그래프를 해석하여 끓는점을 찾는다. 다른 부피로 실험한 모둠원들과 실험결과 공유 버튼을 통해 다른 모둠원들의 실험 결과를 공유하고, 끓는점이 물질의 특성 임을 이해하게 된다. 이후, 시뮬레이션을 통해 소줏고리에서 섞여있었던 물과 에탄올이 끓는점의 차이로 물과 에탄올로 분리됨을 보여준다. 이후 물과 에탄올이 섞인 용액을 반복적으로 증류할때 증류한 횟수에 따라 어떻게 분리되는지를 입자 모형을 이용하여 설명하도록 설계되었다.

2차시는 용해도에 대한 것으로, 학생들은 혼합물을 분리하기 이전에 용해도의 의미를 탐색하고, 질량이 다른 4개의 질산 칼륨이 모두 녹는 온도를 가상 실험을 통해 찾는다. 이렇게 얻어진 실험 결과는 용해도 곡선에 점으로 표시된다. 이후 4개의 실험 결과를 통해 실험하지 않은 40, 60, 70 ºC에서 용해도를 예측하는 활동을 하도록 설계되었다. 보통 학생들은 실험을 직접 수행하더라도 몇 가지 온도에서 물질의 용해도를 확인하는 실험을 수행하게 되는데, 기초 탐구 기능의 예상에 해당하는 내삽 활동을 통해 실험하지 않은 온도에서의 용해도를 수학적으로 접근하는 것이 가능하다. 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램의 장점을 살리고 2015 개정 교육과정의 기능 중 하나인 수학과 컴퓨터 활용 능력을 함양하고자, 두 지점을 클릭하면 두 점을 연결하는 함수식이 자동으로 생성되도록 하였다. 이에 실험하지 않은 온도지만 온도 전과 후에 실험한 온도의 값들을 선택하면 함수식이 설정되고, 원하는 온도(x 값)를 입력하면 그 온도에 해당하는 용해도(y 값)가 자동으로 산출되도록 설계되었다. 학생들이 직접 함수식을 세우고 값을 구하지 않아도 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용하여 원리를 이해하고 쉽게 해결할 수 있도록 하였다.

마지막 3차시는 물질의 특성을 이용하여 종합적으로 혼합물을 분리하는 활동을 제공하였다. 학생들에게 물에 철 가루, 염화 나트륨, 스타이로폼 중 2가지를 섞어 혼합물을 자유롭게 제작하도록 하고, 이를 2단계에 걸쳐서 물질의 특성을 고려해 혼합물을 분리하도록 하였다. 여기서는 학생들마다 제작한 혼합물이 다르기 때문에 학생들마다 요구되는 분리 방법이 다르고 학생들마다 다른 활동을 수행한다는 특징이 있다. 이후 물에 철 가루, 염화나트륨, 스타이로폼이 모두 섞인 혼합물을 학생들에게 제공하고, 3단계에 걸쳐서 이 3가지 물질을 모두 분리할 수 있도록 하였다. 마지막으로 바닷물에 미세 플라스틱이 많이 존재하여 사회적으로 문제가 된다는 영상을 시청한 후, 과학적으로 미세 플라스틱을 분리하는 방법을 물질의 특성 영역에서 배운 혼합물의 분리 방법을 활용하여 실험을 설계하도록 하였다.

검사 도구

이 연구에서는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 적용한 화학 수업의 효과를 여러 가지 측면에서 살펴보고자, 과학 긍정경험, 과학과 핵심역량, 학업성취도에 대한 효과를 살펴보았다.

과학 긍정경험. 정의적 영역에 대한 효과를 살펴보고자 ‘과학학습 정서, 과학관련 자아개념, 과학학습 동기, 과학관련 진로포부, 과학관련 태도’의 5가지 하위 영역으로 구성되어 있으며, 총 35개 문항의 4단계 리커트 척도로 되어있는 과학 긍정경험 검사지를 사용하였다.³² 본 연구에서 이 검사도구의 Cronbach의 α는 Table 3과 같이 사전검사에서 전체 문항에 대해 0.940, 사후검사에서 전체 문항에 대해 0.962였다. 영역별로 사전검사에서 0.718~0.873, 사후검사에서 0.743~0.909로 양호하였다.

Table 3. The categories of the question for the positive experiences

과학과 핵심역량. 2015 개정 과학과 교육과정에서 제시한 5가지 핵심역량을 측정하고자, 총 25개의 문항으로 핵심 역량별로 5개 문항씩 구성되어 있으며, 5단계 리커트척도로 구성되어 있는 과학과 핵심역량 검사 도구를 활용하였다.³³ 이 검사도구의 Cronbach의 α는 Table 4와 같이 사전검사에서 전체 문항에 대해 0.969, 사후검사에서 전체 문항에 대해 0.984였다. 역량별로 사전검사에서 0.826~0.901, 사후검사에서 0.916~0.948로 양호하였다.

Table 4. The categories of the question for science core competency

학업성취도. 인지적 영역에 대한 효과를 살펴보고자 공인된 학업성취도 문항인 국가수준 학업성취도의 평가 문항을 탐색하였다. 2005년부터 2020년까지 시행된 국가수준 학업성취도 중학교 과학 문항 중 물질의 특성 영역과 관련된 총 28개 문항을 1차 선별하였다. 선별된 28개 문항은 다시 물질의 특성과 혼합물의 분리 범주로 나누었으며, 물질의 특성 18개 문항, 혼합물의 분리 10개 문항으로 범주화하였다. 이후 화학교육 전문가 2인이 문항 간 유사성이 있거나 현재 2015 개정 교육과정의 성격과 거리가 있는 문항을 제외하였으며, 물질의 특성에서는 끓는점, 밀도, 용해도에 대해서 각각 2개 문항씩 총 6개 문항을, 혼합물의 분리에서는 총 3개의 문항을 최종 선정하였다. 이 연구에서 활용된 프로그램은 끓는점을 찾는 활동 후 증류, 용해도를 탐색한 후 재결정을 다루는 등 물질의 특성을 다루고, 물질의 특성을 이용하여 혼합물을 분리하는 활동을 진행하였다. 따라서 물질의 특성과 혼합물의 분리 관련 문항을 함께 선정하였다. 선정된 문항은 시행된 결과 보고서에 따르면 문항별로 29.3%~75.2%의 다양한 정답률을 보였다(<부록>참고).³⁴⁻³⁹ 이 연구에서 사용한 문항에 대한 Cronbach의 α는 0.667이었으며, Rasch를 이용하여 계산된 문항 신뢰도(item reliability)는 0.91이었다. 각 문항별 Infit MNSQ값과 Outfit MNSQ값이 0.88~1.22로, 사용하기 적합한 문항으로 판정하였다. 또한, 이 연구에서 각 문항별 변별도는 0.212~0.430이었다.

자료수집 및 분석

이 연구에서는 과학 긍정경험과 과학과 핵심역량에 대한 검사는 비교집단 전후검사 설계로 자료를 수집하였다. 과학 긍정경험의 경우 4단계 리커트 척도로, ‘매우 그렇다’는 4점으로 ‘전혀 그렇지 않다’는 1점으로 코딩하였으며, 전체 점수와 영역별 총점을 산출하였다. 전체 점수는 140점 만점이며, 하위 영역별로 문항 수가 상이하기 때문에 영역별 만점은 20~40점으로 상이하다. 과학과 핵심역량은 5단계 리커트 척도로 ‘매우 그렇다’를 5점으로, ‘전혀 그렇지 않다’는 1점으로 코딩하였다. 이후 전체 역량 총점과 각 역량별로 총점을 산출하였다. 전체 점수는 125점 만점이며, 핵심역량별로 모두 동일하게 5개 문항으로 구성되어 있어 모든 역량에 대한 만점은 각각 25점으로 동일하다. 본 연구의 독립변수는 수업의 유형에 따른 집단과 성별이며, 종속변수는 사후검사 점수이다. 이 연구는 준실험 설계이기 때문에 사전검사 점수를 공변수로 하여 종속변수인 사후검사 점수를 통계적으로 조정하여 효과를 검증하는 이원공분산분석(2-way ANCOVA)를 실시하였다. ANCOVA에서는 통계적 가정으로 독립성, 정규성, 등분산성, 기울기동일성이 요구되며, 각 집단의 표집 수가 30이상인 경우 중심극한정리를 적용할 수 있기 때문에 정규성 가정을 충족하였다고 판단하여 정규성 가정은 별도로 확인하지 않았다. 따라서 IBM SPSS Statistics 20 프로그램을 활용하여 등분산 가정을 Leven의 등분산 가정 검정을 통해, 기울기의 동일성 가정은 공변수와 독립변수 간의 상호작용 여부를 통해 확인한 후 ANCOVA에 대한 통계적 검정을 실시하였다. 독립변수에 대한 통계적 유의성을 확인한 다음, 통계적으로 유의미하다고 판단되는 항목에 대해서 효과 크기를 산출하였다. 이 연구에서 효과 크기는 두 집단의 크기가 동일하여 Cohen의 d값으로 산출하였다. Cohen⁴⁰과 Sawilowsky⁴¹에 따라 0.20 정도는 작은 효과를, 0.50 정도는 중간 크기의 효과를, 0.80 정도는 큰 효과로 해석하였으며, 하위 영역간 효과 크기를 비교하여 상대적으로 더 효과가 큰 영역을 판단하였다.

학업성취도에 미치는 영향을 살펴보는 것도 과학 긍정경험, 과학과 핵심역량과 동일하게 비교집단 전후검사 설계로 자료를 수집하는 것이 적절하나, 물질의 특성 영역을 학습하기 이전에 사전검사를 진행하는 것이 무의미하다고 판단하여 학업성취도의 경우 두 집단에 대해 사후검사만 진행하여 자료를 수집하였다. 문항의 진위를 옳게 판단한 경우를 1로, 진위를 틀리게 판단한 경우를 0으로 코딩하였다. 이후 각 학생별로 9개 문항에 대한 총점을 계산한 후 집단과 성별에 대해서 이원분산분석(2-way ANOVA)를 실시하였다. 통계처리는 IBM SPSS Statistics 20 프로그램을 활용하였으며, 주효과와 집단*성별(상호작용) 효과를 분석하였다. 2-way ANOVA에서 요구되는 독립성과 정규성 가정의 경우, 집단과 성별이라는 독립변수가 독립적이며 각 집단의 크기가 30이상이어서 두 가정을 모두 충족한다고 판단하였으며, 등분산성 가정은 Leven의 등분산 가정 검정을 이용하였다.

과학 긍정경험, 과학과 핵심역량에 대한 사전검사는 혼합물의 분리에 대한 수업이 시작되기 1주일 전에 진행하였으며, 3차시의 프로그램 적용을 마친 후 1주일 후에 사후검사가 학업성취도 검사와 함께 진행되었다. 또한, 매차시가 종료될 때 마다 실험집단에 한하여 자유 응답식의 수업 소감문을 작성하도록 하였다. 수업 소감문 자료는 학생별 S1~S54로 코딩하였으며, 양적인 자료를 해석하는 보조 자료로 활용하였다.

연구 결과 및 논의

과학 긍정경험

컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 과학 긍정경험에 미치는 영향을 알아보기 위해 ‘과학학습 정서, 과학관련 자아개념, 과학학습 동기, 과학관련 진로포부, 과학관련 태도’의 5가지 영역 전체 점수의 집단과 성별에 대한 사전, 사후검사 점수는 Table 5와 같다.

Table 5. The descriptive statistics results for the positive experiences

ANCONA에서 요구되는 가정 중 Leven의 등분산 가정을 충족하였으며, 사전검사와 독립변수 간의 상호작용은 통계적으로 유의하지 않았으므로 기울기 동일성에 대한 가정 역시 충족되었다. 이로써 사전검사 점수를 공변수로, 집단과 성별을 독립변수로, 사후검사 점수를 종속변수로 하는 ANCOVA를 실시하기 위한 통계적 가정이 성립되었다. 이후 실시한 2-way ANCOVA 결과는 Table 6과 같다.

Table 6. The result of 2-way ANCOVA for the positive experiences

**p<.01

비교집단은 과학 긍정경험 검사의 영역 총점이 사전검사 점수와 사후검사 점수 간의 차이가 거의 없는 반면, 실험집단의 경우 사전검사 점수는 87.09점, 사후검사 점수는 92.72점로 상승이 있었으며 조정된 평균 차이로 알아본 두 집단 간 차이는 통계적으로 유의미하게 나타났다. 반면, 성별에 따른 차이는 통계적으로 유의미하지 않았다. 이를 통해 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업을 경험하는 것이 학생들에게 과학 긍정경험 향상에 효과적임을 추정할 수 있었다. 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 과학 긍정경험에 미치는 영향에 대한 효과 크기를 계산한 결과 Cohen의 d가 0.39로 작은 효과와 중간 효과의 중간 사이였다.

세부 분석은 통계적으로 유의미한 변수인 수업 유형에 대해 ANCOVA를 실시하였다. 이에 대한 결과는 Table 7과 같다.

Table 7. The result of ANCOVA analysis for the positive experiences category

*p<.05, **p<.01, ***p<.001

5개 하위 영역 중 ‘과학관련 자아개념’을 제외한 나머지 4개 영역에서 통계적으로 실험집단이 비교집단에 비해 평균이 유의미하게 높았다. 먼저, ‘과학학습 동기’에서 두 집단 모두 사전검사 점수에 비해 사후검사 점수가 높았으며 사전검사 점수로 조정한 결과 실험집단이 비교집단에 비해 통계적으로 유의미하게 점수가 높았으며(F=6.01, p<.05), 이 영역에서 Cohen의 d는 0.52로 중간 정도의 효과 크기를 보였다. 또한, 많은 학생들이 수업 후 소감문에서도 ‘실험을 컴퓨터로 쉽게 하니 너무 재밌고 흥미롭다, 다양한 실험을 해서 재밌고 좋았다, 직접 영상으로 보며 실험을 하고 퀴즈를 풀면서 새로운 내용을 쉽게 접할 수 있었다, 선생님이 직접 설명해 주시는 것과는 다른 재미를 느낄 수 있었다.’ 등과 같이 ‘과학학습 정서’와 관련하여 긍정적인 표현을 다수 볼 수 있었다. 단일집단 전후비교로 설계한 연구¹⁹에서 이 항목의 효과 크기는 0.43으로, 이 연구에서 보인 효과 크기보다 작다. 또한, 단일집단이 성숙, 역사, 검사효과 등 다양한 위협을 가져 효과 크기가 과대 추정될 수 있음을 고려해볼 때 그 차이는 더 큰 것으로, 단순히 스마트 기기를 활용한 연구에 비해 컴퓨터 기반의 과학 탐구 프로그램을 활용하는 수업이 학생들을 능동적으로 학습에 참여하도록 하여 그 효과를 높인 것으로 판단된다.

‘과학학습 동기’는 Cohen의 d가 0.58로 4개 하위 영역 중 가장 큰 효과 크기를 보였다(F=13.78, p<.05). 수업을 경험한 후 소감문에서 많은 학생들이 과학학습에 대한 과제를 하려는 마음 상태나 추진력을 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업을 통해 갖게 되었음을 확인할 수 있었다. 특히, 최근 코로나19로 인하여 대면 수업보다는 온라인으로 수업이 진행되면서 과학 탐구 수업이 위축되고 있는데, 이러한 상황에서 학생들이 과학 탐구 수업의 갈증을 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업으로 일부 해소하는 모습도 확인할 수 있었다. 이러한 효과 크기는 유사하게 스마트 기기를 활용한 연구¹⁹에서 가장 작은 효과(d=0.13)을 보고한 것에 비해 의미 있는 효과 크기임을 알 수 있다.

S3: 코로나 때문에 실험을 하기 어려운데, 이렇게 가상 실험이라도 해봄으로써 원리를 이해하는데 도움이 되었으며, 그래서 수업에 더 적극적으로 참여하게 되었다.

S39: 컴퓨터 기반으로 수업이 진행되지만 온라인상으로 내가 직접 실험할 수 있고, 또 모둠과제도 함께 해결할 수 있어 좋았다.

‘과학관련 진로포부’에서도 비교집단에 비해 실험집단의 조정된 평균이 통계적으로 유의미하게 높았으며(F=4.13, p<.05), 이에 대한 Cohen의 d가 0.33이었다. 이러한 연구 결과는 집중 연구 및 교육(R&E) 프로그램이 과학진로에 통계적으로 유의한 영향을 주지 않았던 연구⁴²와 대조적이다. 또한, 첨단 기자재를 활용한 수업을 통해 학생들의 과학 관련 진로에 미치는 영향을 알아본 연구⁴³에서 이에 대한 효과 크기(d)가 0.30으로 본 연구의 효과 크기와 유사하였다. 두 연구의 비교를 통해 R&E 프로그램이나 첨단 기자재 활용 수업과 같은 전문적인 활동이 아닌 수업에서 행해지는 과학 탐구 활동 만으로도 학생들의 관련 진로에 대한 동기나 의지를 높일 수 있음을 알 수 있다.

끝으로 ‘과학관련 태도’에서도 비교집단에 비해 실험 집단의 조정된 평균이 통계적으로 유의미하게 높았으며(F=5.31, p<.05), 이에 대한 Cohen의 d가 0.36이었다. 이 연구는 컴퓨터 기반으로 진행됨에 따라 학생들이 능동적으로 조작하고 활동을 수행해야 한다는 특성상 학생 중심으로 수업이 진행될 수밖에 없다. 이러한 학생 중심의 수업이 학생들의 ‘과학관련 태도’에 긍정적인 영향을 준다는 여러 선행연구와 일치한다.^18,44,45 또한, 수업을 경험한 후 학생들의 소감문에서 제시된 과학 탐구 활동을 진행하면서 과학에 대한 가치를 학생들이 인식함을 확인할 수 있었다.

S11: 내가 제작한 혼합물을 분리하는 활동을 하면서 밀도 차를 이용해 분리했는데, 이렇게 과학적으로 쓰레기도 분리할 수 있겠다는 생각을 하게 되었다.

과학과 핵심역량

5가지 핵심역량 전체 점수의 집단과 성별에 대한 사전, 사후검사 점수는 Table 8과 같다.

Table 8. The descriptive statistics results for the science core competency

컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 과학과 핵심역량에 미치는 영향을 알아보기 위해 5가지 과학과 핵심역량 전체에 대하여 ANCOVA를 시행하였다. 먼저 시행 전 ANCONA에 요구되는 가정 중 Leven의 등분산 가정을 충족하였으며, 사전검사와 독립변수 간의 상호작용은 통계적으로 유의하지 않았으므로 기울기 동일성에 대한 가정 역시 충족되었다. 이로써 사전검사 점수를 공변수로, 집단과 성별을 독립변수로, 사후검사점수를종속변수로하는 ANCOVA를 실시하기 위한 통계적 가정이 성립되었다. 이후 실시한 2-way ANCOVA 결과는 Table 9와 같다.

Table 9. The result of 2-way ANCOVA for the science core competency

**p<.01

비교집단의 경우 과학과 핵심역량 검사의 영역 총점이 사전검사 점수에 비해 사후검사 점수가 다소 하락한 반면, 실험집단은 영역 총점의 사전검사 점수는 77.57점, 사후검사 점수는 84.07점으로 상승하였다. 과학과 핵심역량의 변화 추세를 분석한 연구에서, 시간에 따라 역량 점수가 항상 상승하는 것이 아니라 감소하는 결과가 나타나기도 하였다.⁴⁶ 이러한 결과는 시간이 지남에 따라 학생이 성숙한다고 하여 자연스럽게 핵심역량이 길러지는 것이 아니며 오히려 퇴행할 수 있음을 보여주는 것으로, 이 연구에서도 비교집단의 사후점수는 소폭 하락하였다. 두 집단 간 차이는 통계적으로 유의미하게 나타났다(p<.05). 반면, 성별에 따른 차이는 통계적으로 유의미하지 않았다. 이를 통해 컴퓨터 기반 탐구 프로그램을 활용한 수업이 교사 중심의 강의법에 비하여 학생들에게 과학과 핵심역량 함양에 긍정적인 영향을 제공함을 추정할 수 있었다. 컴퓨터 기반 탐구 수업이 과학과 핵심역량에 미치는 영향에 대한 효과 크기를 계산한 결과 Cohen의 d가 0.46으로 중간 정도의 효과를 보였다.

세부 분석은 통계적으로 유의미한 수업 유형 변수에 대해 ANCOVA를 실시하였다. 이에 대한 결과는 Table 10과 같다.

Table 10. The result of ANCOVA for the science core competency

*p<.05, **p<.01, ***p<.001

과학과 핵심역량별로 ANCOVA를 실시한 결과, 실험집단의 사후검사 점수가 사전검사 점수에 비해 모든 역량에서 상승한 반면, 비교집단의 경우 모든 역량에서 하락을 보였다. 5개 역량 모두 조정된 실험집단의 사후검사 점수가 비교집단에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다. 먼저, ‘과학적 사고력’에서 실험집단은 사전검사에 비해 사후검사에서 1.67이 상승하여 5개의 역량 중 가장 큰 점수의 상승을 보였다(F=14.00, p<.05). 이는 학생주도 수업 전략을 통해 과학적 사고력에 미치는 영향을 알아본 연구⁴⁷에서 하위 요소별로 일부 유의미한 결과를 얻었으나 ‘과학적 사고력’ 전체에 대해서는 강의법과 비교해서 유의미한 차이를 얻지 못한 결과와 대조적으로 의미있는 결과라 할 수 있다. 또한, 탐구적 과학 글쓰기를 통한 데이터 기반 과학탐구학습의 효과를 알아본 연구⁴⁸에서 과학적 사고력에 대한 효과 크기가 0.59로 본 연구와 유사한 효과 크기를 보였다. 이를 통해 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 과학적 사고력에 효과가 있음을 추정할 수 있었다.

‘과학적 탐구 능력’의 효과 크기는 0.55로 중간 정도의 효과를 보였다(F=10.71, p<.05). 이는 자유탐구 수업이 과학적 탐구 능력에 미치는 영향을 알아본 연구⁴⁹에서 보고한 효과 크기 0.52와 유사한 것으로 비록 컴퓨터 기반으로 설계된 탐구를 학생들에게 제공하지만, 이렇게 제공한 탐구 수업의 효과가 자유롭게 학생들이 주제를 설정하고 설계하는 수업의 효과와 유사하게 나온 것은 흥미로운 결과이다. 학생들은 비록 웹상에서 가상 실험을 수행하였지만, 수업 후 작성한 소감문에 나타난 것과 같이 컴퓨터 기반 탐구 프로그램을 활용한 수업이 과학적 지식이나 의미를 구성하는 데 도움이 된 것으로 보인다. 또한 컴퓨터 기반 탐구 프로그램에서 가설의 작성, 변인의 조절, 탐구 설계, 자료 분석, 결론 도출 및 일반화 등 다양한 과학적 탐구 능력의 하위 요소들을 고루 반영하여 구성한 것이 학생들의 과학적 탐구 능력 향상에 도움이 되었을 것으로 판단된다.

S4: 가설 작성하기가 가장 재미있었음, 가설을 작성하며 배운 점을 생각해 볼 수 있었다.

S23: 질산 칼륨 용해도 실험을 하면서 온도 변화에 따라서 용해도가 어떻게 변하는지도 알아볼 수 있었다.

S49: 물질의 종류와 양에 따라서 끓는점 실험을 하면서, 끓는점이 왜 물질의 특성임을 알게 되어서 나에게 의미가 있었던 것 같다.

‘과학적 문제 해결력’은 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업을 적용한 실험집단이 통계적으로 유의미하게 비교집단에 비해 평균이 높게 나타났으며(F=13.05, p<.05), 이에 대한 효과 크기는 0.59로 중간 정도를 보였다. 이는 역량중심 교육 프로그램의 효과를 알아본 연구⁵⁰에서 ‘과학적 문제 해결력’에서 유의미한 결과를 얻지 못한 것과 대조적이다. 또한, 과학탐구실험이 ‘과학적 문제 해결력’에 미치는 영향을 알아본 연구⁵¹에서 보고된 효과 크기는 0.21로 작은 효과 크기를 보인 것에 비해 고무적인 결과였다. 학생들이 과학 수업에서 배운 지식이나 원리를 활용하여 스스로 문제를 해결할 수 있도록 실험을 설계하는 활동 등이 학생들의 ‘과학적 문제 해결력’에 긍정적 영향을 주었을 것으로 생각된다. 이를 통해 컴퓨터 기반 탐구 수업이 학생들의 ‘과학적 문제 해결력’을 신장하는데 효과가 있음을 추론할 수 있다.

S25: 혼합물을 직접 분리해 보는 것을 할 수 있어 의미가 있었다. 그리고 여러 혼합물을 어떻게 분리해야 하는지 직접 해볼 수 있어서 의미 있다고 느꼈다.

S43: 실험 장치를 직접 선택해서 본인의 생각을 풀어내어 실험을 할 수 있도록 한 것이 재밌었다.

‘과학적 의사소통 능력’에서 효과 크기는 0.47로 나타났다(F=8.20, p<.05). ‘과학적 의사소통 능력’과 관련하여 과학 독서활동 수업의 효과를 알아본 연구에서 보고된 효과 크기는 0.30으로 본 연구에 비해 낮은 효과가 보고되었으며,⁵² ‘과학적 의사소통 능력’의 일부 문항에서만 통계적으로 유의미한 차이를 보인 연구⁵⁰와 대조적으로 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업이 ‘과학적 의사소통 능력’의 함양에 효과적임을 추론할 수 있었다. 이러한 효과는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업이 단순히 컴퓨터 기반으로 탐구 활동을 제공하는 것이 아니라, 일부 차시에서 모둠원별로 개별 탐구를 진행한 후, 모둠원의 탐구 결과를 종합하여 결론을 도출하는 활동 등을 제공하고, 프로그램에서 학생들의 응답에 대한 채점을 자동으로 진행하여 피드백을 제공하며, 가상 실험결과를 기반으로 설명하게 하는 활동 등이 영향을 준 것으로 판단된다.

끝으로 ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’에서도 비교집단에 비해 실험집단의 조정된 사후검사 평균이 통계적으로 유의미하게 높았으며(F=9.08, p<.05), 이에 대한 Cohen의 d는 0.52였다. 과학과 핵심역량의 영향을 알아본 많은 선행연구에서 다른 역량에서는 의미 있는 결과를 도출하였으나 ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’에서는 대부분 유의미한 결과를 얻지 못하였다.^48,50,52 과학탐구실험의 영향을 알아본 연구에서 유의미한 결과를 도출하였으나, 이때 효과 크기는 0.12로 작은 효과를 보였다.⁵¹ 그동안의 과학 교육과정에서 ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’과 관련된 교육과정 내용은 드물며, 2015 개정 과학과 교육과정을 반영한 교과서들에서도 이 역량의 반영이 가장 적은 것으로 알려져 있다.⁵³ 따라서 학습의 마무리로 과학 수업에서 배운 주요한 개념과 원리를 학생들과 관련된 생활 속의 문제를 해결하는 활동으로 연결하는 이번 연구의 과학 탐구 수업에서 얻어진 효과 크기가 매우 의미 있는 수치임을 알 수 있다. 이 연구의 3차시에서 학생들이 경험하는 미세 플라스틱 문제를 과학적으로 해결하는 실험을 설계하는 것과 같이, 학생들이 과학 수업에서 학습한 내용을 사회적 문제와 연결하고 이를 해결하는 과정에서 과학이 필요함을 느끼도록 하는 것은 앞으로도 다양한 과학 수업에서 시도될 필요가 있다. 또한 학생들은 각 차시별 소감문을 작성하면서 가장 재미있거나 흥미로웠던 수업 활동을 선택하였는데, 1차시와 2차시에서 대부분의 학생들이 가상 실험을 수행하는 것이 가장 흥미로웠다고 답한 것에 비해, 3차시의 경우 여러 학생들이 미세 플라스틱 관련 영상을 본 것을 가장 흥미로웠다고 답하였다. 학생들에게 과학 수업과 관련한 사회 문제의 경각심을 일깨워주는 것도 매우 중요한 과학 수업 활동 중 하나임을 알 수 있었다.

S10: 태평양에 얼마나 많은 미세 플라스틱이 있는지 알았고‘태평양을 제외하고 대서양, 인도양에서도 많이 있겠구나’라고 생각했다.

S22: 미세 플라스틱 관련 영상 시청하기 바다에 쓰레기가 얼마나 많은지 알게 되었다.

S27: 미세 플라스틱 분리하는 실험을 설계하는 활동에서 본 영상에서 미세 플라스틱의 문제를 알 수 있었으며, 과학이 이러한 문제를 해결할 수 있다고 생각되어 과학의 가치를 알게 되었다.

S42: 영상을 보니 미세 플라스틱의 심각성을 알게 되어 쓰레기를 함부로 버리지 않게 되었습니다.

학업성취도

컴퓨터 기반 탐구 수업이 학업성취도에 미치는 영향을 알아보기 위해 실시한 기술 통계 결과는 Table 11과 같다. 실험집단의 평균은 5.48점이었으며, 비교집단의 평균은 3.83점으로 실험집단의 평균 점수가 비교집단에 비해 높았다. 또한, 눈여겨볼 만한 것이 실험집단과 비교집단에서 남학생들의 평균 점수 차이는 그리 크지 않았으나, 여학생들은 실험집단 평균 5.48점, 비교집단 평균 2.75점으로 집단 간 차이가 크게 나타났다.

Table 11. The descriptive statistics results for academic achievement

컴퓨터 기반 탐구 수업이 학업성취도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 2-way ANOVA를 시행하였으며, 결과는 Table 12와 같다. 분석을 시행하기 전 2-way ANOVA에서 요구되는 등분산 가정을 Leven의 등분산 가정 검정을 통해 충족함을 확인하였다.

Table 12. The result of 2-way ANOVA for academic achievement

*p<.05, **p<.01, ***p<.001

학업성취도에 대한 집단의 효과를 분석한 결과 통계적으로 유의미한 차이가 있었다. 이는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업을 진행한 실험집단의 평균이 비교집단에 비해 높다는 것으로, 컴퓨터 기반 과학 탐구프로그램을 활용한 수업의 효과를 학업성취도에서도 확인할 수 있었다. 이외 성별에서도 학업성취도에 대한 차이가 나타나 남학생들이 여학생들에 비해 높은 학업성취도를 가짐을 알 수 있었다. 더불어 집단*성별의 상호작용에 대해서도 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 집단에 따른 수업 유형과 성별의 상호작용 효과를 구체적으로 확인하기 위해 단순효과 분석을 실시하였다. 남학생의 경우 수업 유형에 따른 학업성취도 점수 간의 차이가 통계적으로 유의미하지 않았으나(F=.736, p=.393), 여학생의 경우 수업 유형에 따른 학업성취도 차이가 통계적으로 유의미하였다(F=26.678, p=.000). 이는 컴퓨터 기반 과학탐구 수업이 여학생의 학업성취도 향상에 효과가 있음을 보여준다. 과학 긍정경험이나 과학과 핵심역량과 같이 정의적 영역에서는 성별에 따른 차별적 효과가 없었던 것과 비교하면 매우 흥미로운 결과이다. 웹기반 프로젝트 수업이 남학생보다 여학생에게 유의미한 영향을 준 연구와 디지털 기기를 활용한 수업에서 여학생이 남학생에 비해 적극적으로 디지털 기기를 사용하며 디지털 리터러시가 높다는 연구 결과와 유사한 결과로 해석된다.^54,55 선행연구들에서 수업 과정에서 이루어지는 모둠별 논의, 문서 작성, 기기를 이용한 정보 검색 등에서 여학생들이 남학생들보다 더 적극적이었다는 것처럼, 수업 시작부터 마무리까지 다양한 응답과 활동을 요하는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램의 경우 여학생에게 더 효과적이었던 것으로 추정된다. 이러한 결과는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업이 과학학습을 어려워하는 여학생들의 학습에도 긍정적일 수 있다는 가능성을 살펴볼 수 있었다.

결론 및 제언

이 연구는 다양한 교육환경의 변화에서 지속 가능한 과학 탐구 수업에 주목하여 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업의 효과를 알아보았다. 이를 위해 혼합물의 분리와 관련된 3차시 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 개발하고, 강의식 수업과 비교하여 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 학생들의 과학 긍정경험, 과학과 핵심역량, 학업성취도에 미치는 영향을 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업은 학생들의 과학 긍정경험 지수를 향상시켰다. 과학 긍정경험의 전체 총점에서 조정된 사후검사 점수가 실험집단이 비교집단에 비해 통계적으로 유의미하게 높았으며, 효과 크기는 0.39로 작은 효과와 중간 효과 사이로 나타났다. 하위 영역별 분석에서 ‘과학관련 자아개념’을 제외한 나머지 4개 영역에서 실험집단이 비교집단에 비해 통계적으로 유의미하게 높은 점수를 보였으며, 효과 크기는 0.33~0.58이었다. 특히, ‘과학학습 동기’에서 가장 큰 효과를 보였으며, 이는 여러 선행연구와 비교해서 높은 수치일 뿐만 아니라 학생들의 소감에서도 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업의 긍정적 효과를 확인할 수 있었다. 최근 코로나19로 인하여 직접 수행하는 대면 과학 탐구 수업이 위축되고 있는 상황에서, 학생들은 직접 실험은 아니지만 가상 실험이라도 할 수 있는 것에 대해 높은 만족도를 보였다. 이러한 결과는 교육환경 변화에서 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업의 가치를 보여준다고 할 수 있다.

둘째, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업은 과학과 핵심역량 함양에 긍정적인 영향을 주었다. 과학과 핵심역량 전체 점수가 실험집단에서 비교집단에 비해 통계적으로 유의미하게 높았으며, 강의법을 진행한 비교집단이 사전검사 점수에 비해 사후검사 점수가 낮아진 것에 비해, 실험집단은 핵심역량 점수의 향상이 나타나 고무적이었다. 이는 과학과 핵심역량이 단순히 시간이 지남에 따라 성숙하여 획득하는 것이 아님을 보여주는 것이며, 수업을 통해 키워주어야 하는 대상임을 알 수 있다. 더불어 단순히 강의법을 통해서는 과학과 핵심역량을 함양할 수 없음을 보여준다고 할 수 있다. 5개의 과학과 핵심역량 모두에서 통계적으로 실험집단의 평균이 비교집단에 비해 유의미하게 높게 나타났으며, 효과 크기는 0.47~0.61로 전반적으로 중간 정도의 효과 크기를 보였다. 과학과 핵심역량 중 ‘과학적 사고력’에서 가장 큰 효과 크기를 보였으며, 이는 학생 중심 수업이나 탐구적 글쓰기를 통해 ‘과학적 사고력’을 신장시킨 다른 연구에 비해 효과 크기가 큰 것이다. 이러한 결과는 전통적인 강의법에 비해 스스로 탐구를 수행하고 문제를 해결하는 과정을 제공하는 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업이 ‘과학적 사고력’을 증진시킬 수 있음을 보여준 것으로 판단된다. 또한, 과학과 핵심역량을 신장시키기 위한 많은 연구에서 다른 역량에 대한 효과는 많이 보고되었으나, ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’에 대한 효과는 상대적으로 미미하였다. 하지만 이 연구에서 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업은 통계적으로 유의미한 점수 향상을 보였을 뿐만 아니라 효과 크기가 0.52로 중간 정도의 효과가 보고되었다. 이러한 결과는 이 연구가 설계한 내용 중 사회적 문제를 과학으로 해결하는 탐구 내용을 담고 있었기 때문이다. ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’을 신장하기 위해서는 학생들이 인식할 수 있는 사회적 문제를 학생들이 배우는 과학적 지식이나 이론을 적용하여 해결할 수 있는 기회를 제공하는 것이 많은 과학수업에서 필요할 것으로 판단된다.

마지막으로, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업이 학생들의 학업성취도에도 긍정적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 학업성취도 분석에서 실험집단의 평균점수(M=5.48)가 비교집단의 평균 점수(M=3.83)보다 높았으며, 이는 통계적으로 유의미한 차이였다. 또한, 그 차이가 성별에서 더 컸었으며, 집단*성별 상호작용 효과를 분석한 결과 통계적으로 유의미한 결과를 얻었다. 단순효과 분석 결과 여학생의 경우 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업의 효과가 비교집단의 비해 크다는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 성별에 따른 컴퓨터 기반 과학 탐구 수업의 효과를 확인할 수 있었다.

이 연구 결과를 토대로 과학 탐구 수업의 활성화를 위한 제언을 하면 다음과 같다. 첫째, 컴퓨터 기반의 과학 탐구를 수행할 수 있는 다양한 프로그램의 개발이 요구된다. 이 연구에서는 실험을 주로 수행하며 다양한 과학적 탐구 상황을 제공할 수 있는 영역을 분석하여, 중학교 물질의 특성 영역을 중심으로 3차시를 개발하여 적용하였다. 이 단원은 물질의 특성을 기반으로 혼합물의 분리에 관련한 여러 가지 실험을 연속적으로 수행하도록 권장하고 있으나, 주어진 수업시수와 교사의 실험에 대한 부담을 고려하면 매차시마다 학생들의 실험 수행을 구성하기는 쉽지 않다. 특히 현재와 같이 온라인 수업이 병행되어지는 교육환경의 변화에서 실험실에서 수행되는 과학 탐구는 지속 가능성이 떨어진다. 또한, 실제 실험 결과가 예상 결과와 다르거나, 세밀한 변인 조작이 필요하여 재실험을 원하는 경우 등 한 번의 실험 결과로는 만족할만한 결과를 얻기 어려운 경우가 많으나, 한정된 수업 시간과 실험 여건상 화학 수업에서 실험을 다시 수행하기는 어려운 상황이다. 실험 후 교사가 실험 결과를 설명하는 경우에도 실험 과정과 결과를 재현할 수 있으면 학생들의 학습에 도움을 줄 수 있는데, 이런 경우에도 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램이 활용될 수 있다. 이에 온라인 및 대면 수업 환경에서 학생들에게 과학 탐구를 직접 수행할 수 있는 다양한 탐구 프로그램을 개발하고 보급하는 것은 지속적인 과학 탐구 수업을 위해 필요하다.

둘째, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업을 학교 현장에 안정적으로 적용을 위한 연구가 필요하다. 여러 교수학습 프로그램이나 교수방법과 관련된 여러 연구⁵⁶⁻⁵⁹에서 보고한 바와 같이 프로그램이 효과가 있음에도 교사에 따라 현장 적용 과정에서 어려움이 나타나기 때문이다. 이 연구에서와 같이 태블릿이나 컴퓨터를 활용하는 과학 탐구뿐 아니라, 지능형 과학실의 보급에 따라 VR, AI 등을 활용하는 과학 탐구 등이 현장 학교에서 수행될 것이다. 또한 과학 기술은 끊임없이 발달하여 과학 교사들에게 지속적으로 새로운 과학 탐구 방식을 요구할 것이다. 과학교사들이 시대의 변화에 맞는 과학기술을 활용한 과학 탐구를 과학 수업에 활용하는 방법과 그에 따른 효과는 교사들에 따라 천차만별일 것이며, 이 과정에서 어려움을 겪는 교사들도 많을 것으로 생각된다. 따라서 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업 등을 학교 현장에서 효과적으로 활용할 수 있는 방안에 대한 질적연구를 통해 교사들이 갖는 어려움과 장벽을 인식하고 이를 해결하는 방안에 대한 심층 연구가 필요하다.

셋째, 이 연구에서 활용된 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램이 스마트 기기 등을 활용하여 과학 탐구를 진행하는 다른 활동들과 가장 큰 차이점 중 하나는 수업 전반에 걸쳐 학생들의 활동과 응답이 기록된다는 것이다. 학생들은 전시학습 확인, 가설 설정, 탐구 과정, 마무리 평가 문항에 이르기까지 자동 응답으로 바로 자신의 응답이 옳은지에 대한 피드백을 받을 수 있었고, 교사는 학생들의 활동 과정을 모니터링하고 수업의 진행을 조절할 수 있었다. 온라인 수업 중에서도 학생들의 참여 사항과 응답 등을 확인하여 수업을 진행하는 것이 가능하여, 모둠이 함께 진행하는 실험 활동의 경우에는 학생들이 모두 참여하여 결과를 얻은 이후 다음 활동으로 넘어가도록 설정이 가능하다. 이 프로그램의 현장 적용 가능성을 탐색하는 과정에서 과학교사와 학생들이 보여준 긍정적인 반응도 가상 실험을 해볼 수 있다는 점, 학생들은 응답을 따로 제출하지 않아도 된다는 점, 응답에 자동 피드백이 가능하다는 점, 실험 결과가 명확하게 보인다는 점 등이었다.²⁶ 과정 중심평가를 지향하는 교육 현장에서 학생들의 활동을 자동 기록하고, 적절히 학생들의 응답에 피드백이 가능하도록 설정하는 기능은 앞으로 개발되는 프로그램도 구현이 필요한 요소이다.

마지막으로, 본 연구에서는 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업의 효과를 과학 긍정경험, 과학과 핵심역량, 학업성취도를 중심으로 양적 연구 방법을 통해 그 효과를 검증하였다. 이 과정에서 과학 긍정경험과 과학과 핵심역량의 경우 최근 개발되어 여러 연구에서 활용되고 있는 검사도구를 사용하였으나, 학업성취도의 경우 기실행된 국가수준 학업성취도의 평가 문항 중 연구진이 적절하다고 판단하는 문항을 중심으로 검사도구가 구성된 것은 연구의 한계점으로 볼 수 있다. 이에 향후 연구에서 학생들의 학업성취도에 미치는 영향을 면밀히 살펴보기 위한 연구가 진행될 필요가 있으며, 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램을 활용한 수업의 보다 심층적인 효과를 알아보기 위해서는 프로그램 적용 과정에서 학생들의 인식과 변화를 장시간에 걸쳐 연구할 필요가 있다. 우리나라 학생들의 과학에 대한 흥미, 자신감, 가치 등에서 보이는 낮은 성취에 대한 우려가 지속되고 있다. 과학 탐구 활동을 경험하는 것은 학생들에게 과학에 대한 즐거움, 흥미, 인식론적 신념, 자기 효능감, 진로 경향 등에 긍정적인 영향을 주는 것으로 알려져 있으나,⁶⁰ 실제 학교 현장에서 실험을 가장 많이 하는 것으로 인식되는 화학 교사들의 수업에서도 실험을 비롯한 탐구 활동은 많이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.⁶¹ 따라서 이 연구에서 수업에 적용한 컴퓨터 기반 과학 탐구 프로그램 등을 활용하여 학생들의 과학 긍정경험 및 과학과 핵심역량을 함양하는 것은 학생들의 과학에 대한 정의적 성취를 높이고, 이는 인지적 성취의 향상으로 이어질 것이다. 따라서 양적 연구뿐 아니라 장기간의 걸친 질적 방법으로의 탐색을 통해 학생들이 겪는 변화를 심층적으로 분석하는 것은 향후 과학 탐구 관련 연구에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.

부록