An Analysis of the Uses of Visual Representations of Particles in the Middle School Science Textbooks in Matter Units

중학교 과학 교과서 물질 단원에 제시된 시각적 입자 표상의 활용 방식 분석

Abstract

This study analyzed the uses of visual representations of particles in the matter units of the middle school science textbooks developed under the 2015 Revised National Curriculum. The material units in four textbooks were divided into explanation, inquiry, and evaluation sections, and visual representations of particles presented in the science textbooks were analyzed by the use type, the activity type, and the level of activity. In the explanation section, the visual representations of particles were mainly presented in the auxiliary use type, and in the inquiry and evaluation section, they were mainly presented in a direct use type. In terms of the activity types of the direct use of visual representations of particles, the interpreting activity was mainly presented in the explanation and evaluation sections, while the generating activity and completing activity were presented in relatively higher proportion in the inquiry section than the other two sections. In terms of activity level, identifying was the most common activity level in the explanation section, and inferring was the most common activity level in the inquiry and evaluation sections. Based on these results, the implications for the presentation and uses of visual representations of particles in science textbooks are discussed.

이 연구에서는 2015 개정 교육과정에 따른 중학교 과학과 교과서의 물질 단원에 제시된 시각적 입자 표상의 활용 방식을 분석하였다. 4종의 과학 교과서의 물질 단원을 설명, 탐구, 평가 영역으로 구분하고 제시된 시각적 입자 표상의 활용 형태, 요구되는 활동 방식, 활동 수준을 분석하였다. 설명 영역의 경우 시각적 입자 표상은 주로 보조적 활용 형태로 제시되었으며 탐구와 평가 영역의 경우 직접적 활용 형태로 주로 제시되었다. 직접적 활용의 시각적 입자 표상의 활동 방식은 설명과 평가 영역에서는 주로 해석하기가, 탐구 영역에서는 다른 두 영역에 비해 완성하기와 생성하기가 비교적 높은 비율로 제시되었다. 활동 수준의 경우 설명 영역에서는 찾기 수준이, 탐구와 평가 영역에서는 유추하기 수준이 주로 나타났다. 이상의 결과를 바탕으로 과학 교과서 속 시각적 입자 표상의 제시와 활용 방향에 대한 시사점을 논의하였다.

서론

물질의 입자성은 미시적 수준에서 화학을 이해하는 데에 필요한 핵심 개념이다.¹ 2015 개정 교육과정에서도 물질의 입자성 개념은 중학교 1학년에서 도입된 이후 상위 학년에 이르기까지 지속적으로 제시되고 있다.² 물질의 입자성 개념은 직접 지각할 수 없는 이론적 모델을 기반으로 하므로 형식적 조작을 요구한다. 그러나 중학교 학생 중 형식적 조작 수준에 도달한 학생의 비율은 높지 않아^3,4 많은 학생이 형식적 조작이 요구되는 물질의 입자성 개념을 이해하는데 어려움을 겪는다.^5-7 물질의 입자성에 대한 오개념은 쉽게 변하지 않고 지속될 수 있으므로⁸ 학생이 물질의 입자성 개념을 처음 학습하는 중학교 시기부터 개념을 정확하게 이해할 수 있도록 교과서 및 교수학습 자료를 구성할 필요가 있다.

물질의 입자성 개념 학습을 돕기 위한 방법으로 입자를 시각화한 시각적 입자 표상의 활용이 제안되었다. 시각적 입자 표상은 언어로 표현하기 어려운 내용을 효과적으로 전달하고 설명하며⁹ 학생들은 시각적 입자 표상에 제시된 정보를 자신의 기존 개념이나 다른 정보와 연결하므로 시각적 입자 표상을 통해 학생들은 물질의 입자성 개념 학습에 도움을 받는다.^6,10 선행 연구에서도 입자에 관한 정보를 시각화하는 그리기는 학생들의 개념 이해에 도움이 되며^6,11-12 시각적 입자 표상에 제시된 정보를 바탕으로 한글쓰기는 언어적 정보와 시각적 정보의 연계를 촉진하는 것으로 보고되었다.¹³

이러한 맥락에서 과학 교과서의 물질 단원에서도 학생의 개념 이해를 돕기 위해 시각적 입자 표상을 적지 않게 활용하고 있다. 예를 들어 과학 개념을 미시적 수준에서 설명할 때 시각적 입자 표상은 언어적 설명을 시각적으로 보충해주는 보조적 형태로 활용되기도 하고 실험 결과를 입자 개념과 연결 짓는 활동에서 학생이 직접 시각적 입자 표상을 글로 해석하거나, 그림으로 시각화하는 등 다양한 형태로 활용되고 있다. 교과서는 학생들이 시각적 입자 표상을 접하는 주요한 자료로서¹⁴ 학생들은 교과서에 제시된 시각적 입자 표상을 해석하고 입자 표상을 바탕으로 과학 개념을 시각화하는 등 교과서 속 시각적 입자 표상과의 상호작용을 통해 개념을 학습한다. 따라서 교과서 속 시각적 입자 표상은 학생의 과학 개념 학습에서 중요한 역할을 담당한다고 볼 수 있다.

그런데 교과서의 시각적 입자 표상은 제시 방식이나 활용 방식에 따라 학생의 개념 형성에 도움이 될 수도 있지만 학습의 방해 요인이 될 수도 있다.^15,16 시각적 입자 표상에 담긴 정보를 해석하고 활용하는 것은 학생들에게 쉽지 않은 과정이기 때문이다. 학생들은 시각적 입자 표상이 의미하는 바를 부분적으로만 이해하거나 표상이 제공하는 특정 정보를 전체 상황에 일반화는 경향이 있다.^5,17,18 그리고 물의 합성과 관련한 시각적 입자 표상을 설명할 때 산소, 수소와 물이 서로 다른 물질임을 이해하지만 이화학 반응과 연결 지어 해석하지 못하는 것과 같이 시각적 입자 표상을 이해하더라도 이를 과학적 개념과 연결하여 설명하는 데는 어려움을 겪는다.^19-22 따라서 교과서에서 시각적 입자 표상을 제시할 때는 학생들이 시각적 입자 표상과의 상호작용에서 겪는 어려움을 고려할 필요가 있다. 시각적 입자 표상이 효과적인 학습으로 이어지기 위해서는 학생들이 표상에 대해 적절하게 이해하고 활용할 수 있도록 교과서를 개발하는 것이 중요하다.²³ 이를 위해 먼저 교과서의 시각적 입자 표상이 어떠한 활용 형태로 제시되고 학생에게 어떠한 활동을 요구하는지 등을 조사할 필요가 있다.

과학 교과서 물질 영역의 시각적 입자 표상에 대한 선행 연구는 시각적 입자 표상의 유형과 수준, 캡션의 존재 유무와 특성 등과 같은 시각적 입자 표상의 제시 방식에 집중해왔다. Kang et al.(2007)의 연구에서는²⁴ 중학교 1학년 과학 교과서 물질 단원에 제시된 외적 표상을 표상 제시 방법과 표상을 활용한 활동의 적용 방법 측면에서 분석하였으며, Yoon(2020)의 연구도²⁵ 중학교 1학년 교과서의 물질 단원에 제시된 외적 표상을 표상의 유형, 표면적 특성의 해석, 본문과의 관련성, 캡션의 존재와 특성, 표상 간의 관련성, 표상의 기능 측면에서 분석하였다. 중학교 1학년 과학 디지털 교과서 물질 단원에 제시된 시각적 입자 표상을 분석한 Song et al. (2020)의 연구¹⁴ 또한 표상의 수준, 형태, 제시 방법, 학습자의 행동에 따른 표상 제시 방식을 분석하였다. Noh et al.(2007)의 연구에서는²² 중학교 3학년 과학 교과서에 제시된 시각적 입자 표상의 유형과 시각적 입자 표상의 해석에 필요한 과정을 기호학적으로 분석하였다. 물질의 입자성 개념은 중학교 1학년에서의 물질을 구성하는 입자 개념을 바탕으로 2학년 원자, 분자, 이온 개념, 3학년에서 원자, 분자 등 개념을 활용해 화학 반응과 화학 반응의 규칙을 설명함으로 연계된다.^2,5 이를 고려할 때 시각적 입자 표상 분석에서 특정 학년 물질 단원만이 아닌 다른 학년의 물질 단원과의 연계성을 고려한 분석이 필요하다. 하지만 선행 연구들은 주로 특정 학년 교과서의 시각적 입자 표상을 분석하여 이와 관련한 정보를 얻기 어렵다. 또한 교과서 속 시각적 입자 표상의 활용 방식, 즉 시각적 입자 표상이 어떠한 활용 형태로 제시되고 있는지, 학생에게 어떠한 종류와 수준의 활동을 요구하는지에 관한 연구도 부족하다. 한편, 교과서는 크게 설명, 탐구, 평가 영역으로 나눌 수 있는데, 각 영역의 목적과 특성이 다르므로 영역에 따라 시각적 입자 표상의 활용 형태와 시각적 입자 표상을 활용한 활동의 방식이나 수준이 달라질 수 있다. 이에 이 연구에서는 물질의 입자성 개념 학습에서 시각적 입자 표상의 제시와 활용 방향에 대한 시사점을 얻기 위하여 2015 개정 교육과정에 따른 중학교 과학 교과서의 물질 단원에 제시된 시각적 입자 표상을 설명, 탐구, 평가 영역과 단원 별로 활용 형태, 활동 방식, 활동 수준 측면에서 분석하였다.

연구 방법

연구 대상

이 연구에서는 2015 개정 교육과정에 따른 중학교 과학 교과서 5종 중 중학교 1학년부터 3학년까지 교과서가 모두 개발된 동아출판, 미래엔, 비상교육, 천재교과서 4종을 분석하였으며 임의로 A-D로 표기하였다. 과학 교과서에서 물질 단원에 해당하는 1학년의 ‘기체의 성질’과 ‘물질의 상태 변화’, 2학년의 ‘물질의 구성’과 ‘물질의 특성’, 3학년의 ‘화학반응의 규칙과 에너지 변화’ 단원의 설명, 탐구, 평가 영역에 제시된 시각적 입자 표상을 분석 대상으로 선정하였다. 원칙적으로 하나의 시각적 입자 표상을 하나의 분석 단위로 설정하였으나, 하나의 시각적 입자 표상이 두 가지 이상의 방식으로 활용되는 경우에는 각각 독립적인 표상으로 간주하여 분석하였다. 분석한 시각적 입자 표상의 개수는 A-D 교과서에서 각각 53개, 63개, 56개, 82개였다.

분석 방법

Postigo & López-Manjón(2019)의 연구를²⁶ 바탕으로 예비 분석 기준을 설정한 후 4종의 교과서 중 1종을 대상으로 예비 분석을 실시하였다. 예비 분석 결과를 바탕으로 화학 교육 전문가 2인과 현직 과학교사 및 과학교육 전공 대학원생에게 1차 타당화 검증을 받아 분석 범주 및 세부 분석 기준을 수정 및 보완하였다. 수정한 분석 기준을 1차와 동일한 전문가에게 2차 타당화 검증을 받았으며 이후 최종적인 분석 기준을 확정하였다(Table 1).

Table 1. The criteria for analyzing the visual representations of particles in textbooks

첫 번째 분석 범주인 영역은 시각적 입자 표상이 교과서에 제시된 위치에 따라 설명, 탐구, 평가로 나누었다. 설명 영역은 교과서에서 주로 과학 개념을 설명하는 부분이고, 탐구 영역은 실험, 자료 해석, 관찰하기 등 학생의 탐구 활동이 제시된 부분이며, 평가 영역은 단원 마무리 등의 평가 문항이 제시된 부분이다.

시각적 표상은 언어적 설명을 보충하거나 예시를 제공하는 역할과 표상을 바탕으로 학생이 활동을 수행하도록 돕는 역할을 담당하므로²⁷ 시각적 입자 표상의 활용 형태를 직접적 활용과 보조적 활용으로 나누었다. 직접적 활용은 학생이 시각적 입자 표상에 표현된 정보를 해석하여 글로 쓰거나, 일부만 제시된 입자 표상을 완성하는 등 시각적 입자 표상을 학습 활동 수행에 직접 활용하는 형태를 의미한다. 예를 들어 Fig. 1과 같이 암모니아수를 떨어뜨렸을 때 암모니아 기체 입자의 분포를 부분적으로 제공한 후 기체의 분포 변화를 예측하여 그림으로 표현하도록 하는 활동이 직접적 활용 형태에 속한다. 보조적 활용은 언어적 설명을 시각적으로 보충하여 미시적 수준의 시각적 정보를 제공하는 것과 같이 시각적 입자 표상을 학습에 보조적으로 활용하는 형태를 의미하며 교과서 설명 영역의 이해를 돕기 위해 시각적 입자 표상을 사용한 것(Fig. 2)이 대표적인 예이다. 보조적 활용은 시각적 입자 표상이 없더라도 내용을 이해하거나 문제를 해결할 수 있다는 점에서 직접적 활용과 차이가 있다.

Figure 1. An example of the direct use type.

Figure 2. An example of the auxiliary use type.

직접적 활용 형태의 시각적 입자 표상을 대상으로 학생에게 요구하는 활동 방식에 따라 해석하기, 완성하기, 생성하기의 세 가지로 나누었다. 해석하기는 표상에 포함된 정보를 해석하는 활동을 요구하는 방식을 의미한다. 완성하기는 부분적으로 제시된 표상을 완성하는 활동을 요구하는 방식이며 부분적으로 제시된 시각적 입자 표상을 참고하여 개념을 시각화하는 방법을 익히도록 돕는다. 생성하기는 과학 개념을 입자 표상으로 시각화하여 표현하는 활동을 요구하는 방식이며 학생 스스로 입자 표상을 시각화해 볼 기회를 제공한다. 예를 들어 Fig. 3은 물이 기화하는 것이 어떤 변화인지 설명하기 위해 시각적 입자 표상의 해석이 요구되므로 해석하기의 활동 방식에 해당한다. Fig. 4는 완성하기에 해당하는 사례로 용기 속 기체 입자가 부분적으로 제시된 시각적 입자 표상에 용기의 온도가 높아질 때 기체 입자의 변화를 입자 모형으로 그려서 완성하는 활동이 요구되며 Fig. 5는 생성하기에 해당하는 사례로 학생이 고체, 액체, 기체 상태의 물질을 입자 표상으로 시각화하여 표현하는 활동이 요구된다.

Figure 3. An example of the interpreting activity.

Figure 4. An example of the completing activity.

Figure 5. An example of the generating activity.

마지막으로 직접적 활용 형태의 시각적 입자 표상을 대상으로 학생에게 요구하는 활동 수준에 따라 찾기와 유추하기로 구분하였다. 찾기는 각 물질의 상태에 해당하는 시각적 입자 표상을 보고 입자 배열의 규칙성이 가장 큰 물질의 상태와 입자 사이의 거리가 가장 먼 물질의 상태가 무엇인지 찾는 것과 같이(Fig. 6) 시각적 입자 표상에 제시된 명시적인 정보를 처리하는 수준의 단순한 활동을 요구하는 활동 수준이다. 유추하기는 표상에 제시된 정보를 바탕으로 개념, 원리, 법칙을 도출하거나 다른 상황에 적용하는 활동을 요구하는 활동 수준으로서 Fig. 7과 같이 강철 솜을 연소시키기 전후 상황을 입자 모형으로 표현한 시각적 입자 표상을 바탕으로 연소 반응에서의 질량 보존 법칙을 도출해내는 활동 수준이 이에 해당한다.

Figure 6. An example of the identifying activity

Figure 7. An example of the inferring activity.

4종의 교과서 중 1종을 선정하여 연구자 중 2인이 분석 기준을 바탕으로 단원별, 영역별로 시각적 입자 표상을 각자 분석한 후 분석자 간 일치도를 구하고 차이점을 논의하는 과정을 반복하였다. 분석자 간 일치도가 95%에 도달한 후 연구자 중 1인이 모든 교과서의 시각적 입자 표상을 다시 분석하였다. 분석 기준 및 연구 결과와 해석의 타당성과 신뢰성을 높이기 위해 과학교육 전문가와 현직 과학 교사 및 과학교육 전공 대학원생의 세미나를 통해 지속적으로 타당성을 검토 받고 결과 분석 및 해석을 보완하였다.

연구 결과 및 논의

시각적 입자 표상의 활용 영역과 형태

교과서의 종류에 따른 시각적 입자 표상의 활용 영역과 형태를 Table 2에 제시하였다. 전체 시각적 입자 표상 중 설명 영역에서는 59.1%로 가장 많이 사용되었으며 탐구 영역에서는 24.0%, 평가 영역에서는 21.3%로 사용되었다. 설명 영역의 경우 교과서 종류에 따라 12.7~23.7%의 시각적 입자 표상이 직접적 활용 형태로 제시되었고 76.3~87.3%의 시각적 입자 표상이 보조적 활용 형태로 제시되었다. 반면 탐구영역에서는 84.6~100.0%, 평가영역에서는 77.3~100.0%의 시각적 입자 표상이 직접적 활용 형태로 제시되었고, 보조적 활용 형태는 탐구 영역에서 0.0~15.4%, 평가 영역에서 0.0~22.7%로 나타났다. 즉, 시각적 입자 표상이 탐구나 평가 영역에서는 직접적 활용 형태로 사용되지만 설명 영역에서는 주로 개념 설명을 보완하는 보조적 목적으로 사용되는 경향이 있었다. 하지만 시각적 입자 표상을 학생이 직접 활용하는 것은 시각적 입자 표상에 제시된 정보와 학생의 사전 지식을 연결하여 학생의 더 깊은 과학 개념 이해를 촉진하며, 문제를 해결하기 위해 필요한 정보를 시각적 입자 표상에서 찾거나, 입자를 시각화하는 과정을 통해 학습에 적극 참여할 수 있도록 한다.^28,29 그러므로 과학 개념을 설명하는 설명 영역에서도 시각적 입자 표상의 직접적 활용을 더 많이 사용하여 학생들이 시각적 입자 표상을 해석해보거나 직접 활용할 수 있는 기회를 늘릴 필요성이 있다.

Table 2. Frequencies of the visual representations of particles by where and how they are used (%)

설명 영역에서도 일부 시각적 입자 표상의 경우 직접적 활용 형태로 활용되고 있었는데, 주로 시각적 입자 표상 옆에 물음이나 간단한 활동을 추가하여 학생들이 시각적 입자 표상을 직접 활용해 볼 수 있는 기회를 제공하는 형식으로 제시되고 있었다. 예를 들어 피스톤을 누르기 전후의 기체 입자 상태를 바탕으로 기체의 압력과 부피의 관계를 설명한 설명 내용 옆에 이를 묘사한 시각적 입자 표상을 제시하고, 입자 모형에서 변하는 것과 변하지 않는 것을 찾아 쓰도록 하여 설명과 시각적 입자 표상의 정보를 연결하는 활동을 제시한 교과서가 있었다(Fig. 8). 일반적으로 언어적 정보와 시각적 정보처럼 두 가지 이상의 표상을 함께 제공하면 학생은 표상을 연계하고 통합하여 학습 내용을 더 잘 이해할 수 있다.^6,30,31 하지만 표상의 비공유속성 등이 서로 다른 표상 간의 연계를 방해할 수도 있으므로^20,32 단순히 언어적 설명과 시각적 입자 표상을 동시에 제시하는 것만으로는 효과적인 입자 개념 학습을 보장할 수 없다. 따라서 설명 영역에서도 언어적 정보와 시각적 정보의 연계 방법을 연습할 기회를 학생에게 제공하는 것과 같은 직접적 활용 형태로 시각적 입자 표상을 사용한다면 학생의 입자 개념 학습에 도움이 될 수 있을 것이다.

Figure 8. An example of the visual representations of particles promoting the connection of verbal and visual information from textbook D.

단원에 따른 시각적 입자 표상의 비율은 ‘기체의 성질’ 단원이 17.0~33.0%, ‘물질의 상태 변화’ 단원이 16.1~28.6%, ‘물질의 구성’ 단원이 29.2~35.8%, ‘화학반응의 규칙과 에너지 변화’ 단원이 19.7~24.4%로 비슷하였다. 그러나 ‘물질의 특성’ 단원은 0.0~9.8%로 다른 단원에 비해 매우 낮았다. 이는 물질 단원에 해당하는 ‘물질의 상태 변화’, ‘기체의 성질’, ‘물질의 구성’, ‘화학 반응의 규칙과 에너지 변화’ 단원에서는 성취 기준에 입자 모형의 해석과 입자 모형을 활용한 설명을 성취 기준에서 명시하고 있는 것과는 달리 ‘물질의 특성’의 성취 기준은 ‘물질의 고유한 성질을 이용하여 혼합물을 분리할 수 있다’로서 미시적 측면을 명시하지 않기 때문으로 보인다. 하지만 일부 교과서는 ‘물질의 특성’ 단원에서도 시각적 입자 표상을 적지 않게 활용하고 있었다. 예를 들어 D 교과서에서는 순물질과 혼합물 개념이나 밀도, 온도에 따른 기체의 용해도 개념과 관련한 거시적 현상을 미시적 관점에서 설명할 때 시각적 입자 표상을 보조적으로 활용했으며, 끓는점 차를 이용한 혼합물의 분리 설명에서도 물과 에탄올의 가열 곡선 그래프와 시각적 입자 표상을 함께 제시하였다(Fig. 9). 학생들은 물질의 특성 개념을 올바르게 이해하지 못하는 경우가 많으며, 특히 거시적 수준에서 올바르게 이해하고 있더라도 미시적 수준에서 올바르게 설명하지 못한다.^19,33 과학 개념과 관련한 거시적 현상을 미시적 수준에서 설명할 때 시각적 입자 표상을 제시하면 학생이 과학 개념을 거시적 수준과 미시적 수준에서 연결 지어 이해할 수 있도록 도울 수 있다. 즉, 수준이 다른 외적 표상을 연계하여 제시하면 학생의 과학 개념 형성을 도울 수 있으므로³⁴ 성취 기준에서 미시적 측면을 명시적으로 강조하지 않는 ‘물질의 특성’ 단원에서도 거시적 현상을 제시할 때 시각적 입자 표상을 동시에 활용한다면 학생들의 개념 이해에 도움이 될 수 있을 것이다.

Figure 9. An example of the visual representations of particles promoting in the ‘properties of material’ unit from textbook D.

시각적 입자 표상이 요구하는 활동 방식

학생들에게 요구되는 활동 방식에 따라 직접적 활용의 시각적 입자 표상을 분석한 결과는 Table 3과 같다. 직접적 활용 형태의 시각적 입자 표상 중 해석하기는 64.6%로 가장 높게 나타났으며 완성하기는 28.5%, 생성하기는 6.9%로 나타났다. 영역별로 보면, 설명 영역의 경우 해석하기가 60.0~100.0%였고 완성하기가 0.0~40.0%였으며, 생성하기는 제시되지 않았다. 탐구 영역에서는 해석하기가 22.2~64.3%, 완성하기가 28.6~63.6%, 생성하기가 7.1~33.3%로 나타났다. 평가 영역은 해석하기가 64.7~100.0%, 완성하기가 0.0~29.4%, 생성하기가 0.0~8.3%였다. 즉 설명 영역과 평가 영역에서는 해석하기가 주로 제시되었으며 탐구 영역에서는 다른 두 영역에 비해 완성하기와 생성하기가 비교적 높은 비율로 나타났다.

Table 3. Frequencies of the visual representations of particles by the activity types (%)

설명, 탐구, 평가 영역에서 학생에게 요구하는 활동 방식의 비율이 다르게 나타난 결과는 영역에 따라 시각적 입자 표상의 활용 목적에 차이가 있기 때문으로 보인다. 설명에서의 시각적 입자 표상은 정보를 제공하는 것이 주요한 목적이므로 표상 속에 표현된 정보를 학생이 찾아내거나 설명하는 해석하기 방식의 비율이 상대적으로 높았다. 반면 탐구 영역에서는 효과적으로 탐구를 수행하도록 이끄는 것이 중요하므로 완성하기와 생성하기 등의 비율이 설명 영역에 비해 상대적으로 높아지는 것으로 볼 수 있다. 이 연구 결과에서는 탐구 영역에서 완성하기에 비해 생성하기의 비율이 상대적으로 낮게 나타났다. 하지만 생성하기는 학생들이 학습한 입자 표상 시각화 방법을 다른 현상이나 개념을 설명할 때 활용해 볼 수 있게 하며 과학적 추론 능력 향상과 학습한 개념들을 종합하여 이해하는 데도 도움이 된다.^35,36 그러므로 생성하기 활동을 통해 학생들에게 입자 표상을 시각화하는 기회를 더 많이 제공할 필요가 있다.

한편, 평가 영역은 학습한 개념의 복습이나 이해도 점검이 주목적이므로 시각적 입자 표상을 바탕으로 개념을 설명하는 해석하기가 높은 비율을 차지하고 있었다. 그러나 시각적 입자 표상을 완성하기나 생성하기 방식으로 활용하여 학습한 내용을 복습하고 이해도를 점검하는 방안도 고려해볼 수 있다. 이 연구에서도 교과서의 일부 평가 문항은 시각적 입자 표상을 완성하기나 생성하기 활동 방식으로 제시하여 평가에 활용하였다. 예를 들어 삼각 플라스크 속 기체 입자를 묘사한 표상을 제시한 뒤, 마개를 열어 압력이 반으로 줄었을 때 플라스크 속 입자 모형을 그리도록 하여 기체의 압력과 부피의 관계를 평가하는 사례가 있었다. 완성하기나 생성하기와 같이 입자 개념을 시각화하는 활동 방식은 학생들이 자신의 이해를 명시적으로 표현해야 하므로 학생의 이해 수준에 대한 정보를 제공할 뿐 아니라 학생이 자신의 이해 정도를 점검할 수도 있다는 이점을 가지고 있다.^6,37,38 따라서 평가 영역에서 완성하기나 생성하기와 같은 다양한 방식을 활용하는 것을 고려해 볼 수 있을 것이다.

시각적 입자 표상이 요구하는 활동 수준

학생들에게 요구되는 활동 수준에 따라 직접적 활용의 시각적 입자 표상을 분석한 결과를 Table 4에 제시하였다. 직접적 활용의 시각적 입자 표상 중 찾기는 18.5%였으며 유추하기는 81.5%로 나타났다. 영역별로 보면 설명 영역에서는 찾기가 33.3~83.3%, 유추하기가 16.7~66.7%로 나타났다. 탐구 영역에서는 찾기가 0.0~18.2%였고 유추하기가 81.8~100.0%였다. 평가 영역에서는 찾기가 0.0~13.0%, 유추하기가 87.0~100.0%를 차지하였다. 즉, 설명 영역에서는 시각적 입자 표상에서 명시적인 정보를 처리하는 찾기 수준의 활동을 요구하는 경향이 상대적으로 강했고, 탐구와 평가 영역에서는 표상에 제시된 정보를 바탕으로 개념, 원리 등을 이끌어내는 유추하기 수준의 활동을 많이 요구하고 있었다.

Table 4. Frequencies of the visual representations of particles by the level of activity (%)

유추하기 수준의 활동은 학생이 시각적 입자 표상을 직접 활용할 때 찾기 수준보다 더 높은 수준의 시각적 표상 활용 능력을 요구한다. 찾기 수준이 시각적 입자 표상에 명시적으로 표현된 정보를 이끌어내는 수준인 것과 달리 유추하기 수준은 시각적 입자 표상에 표현된 여러 정보를 종합하여 개념이나 원리 등을 도출해내는 것을 요구하기 때문이다. 그러나 원자나 이온 표상에 대한 학생들의 이해는 제한적이며,^5,17 연소 반응에 대한 분자 표상을 해석할 때도 학생들이 어려움을 겪는 것으로 보고되었다.²² 또 학생들은 시각적 입자 표상에 대해 입자 개념을 시각화하는 도구가 아니라 암기해야 하는 개념으로 인식하기도 한다.³⁹ 따라서 학생들이 효과적으로 표상의 정보를 이끌어 내어 학습하기 위해서는 시각적 입자 표상에 제시된 명시적인 정보를 찾는 연습 기회를 충분히 제공할 필요가 있다. 하지만 이 연구에서는 설명 영역에서만 찾기 수준의 비율이 높았고 전체적으로는 찾기 수준의 활동 비율이 낮은 것으로 나타났다. 선행 연구에서도 교과서를 비롯한 다양한 교수학습 자료에서 시각적 입자 표상을 제시하는 것만으로도 학생이 쉽게 시각적 입자 표상을 활용하고, 표상 속 정보와 과학 개념을 종합적으로 연결할 수 있을 것이라는 가정하에 특별한 지원이 제공되지 않고 있음을 지적하고 있다.^5,17,39 그러므로 학생들의 기초적인 표상 활용 능력을 함양하기 위해서는 시각적 입자 표상이 학습 활동에 직접 활용되는 여러 영역의 다양한 활동 방식에서 명시적 정보 찾기 활동 기회를 충분히 제공하는 것에 대한 고려가 필요할 것이다. 이때, 개념 학습에 적절한 찾기와 유추하기 수준의 비율을 결정하기 위해서는 학년이나 입자 개념에 대한 선지식 등과 같은 학생의 특성과 단원의 특성에 따라 학생의 시각적 입자 표상 활용 능력이 어떻게 달라지는지에 대한 연구가 이루어질 필요가 있을 것이다.

결론 및 제언

화학의 핵심 개념인 물질의 입자성에 대한 이해를 돕기 위해 교과서에 많은 시각적 입자 표상이 사용되고 있다. 학생들이 시각적 입자 표상에 담긴 정보를 효과적으로 이끌어내고 활용하도록 돕기 위해 고려해야 할 사항에 대한 시사점을 얻기 위하여 이 연구에서는 2015 개정 교육과정에 따른 중학교 과학 교과서 4종의 물질 영역에 제시된 시각적 입자 표상을 대상으로 시각적 입자 표상의 활용 형태와 표상을 활용할 때 요구되는 활동의 방식과 수준을 분석하였다.

시각적 입자 표상은 탐구와 평가 영역에서 주로 학생이 시각적 입자 표상을 직접 활용하는 형태로 제시되었지만 설명 영역에서는 보조적 활용 형태로 제시되는 것으로 나타났다. 교과서의 설명 영역은 주로 학생들에게 과학 개념을 제시하고 설명하는 영역이므로 시각적 입자 표상도 주로 과학 개념에 대한 설명을 보충하는 등의 보조적 활용 형태로 나타난 것으로 볼 수 있다. 하지만 보조적 활용 형태로 시각적 입자 표상이 사용될 경우 시각적 입자 표상에 제시된 정보를 학생이 피상적으로만 이해하게 되어 물질의 입자성에 대한 오개념이 형성될 가능성도 있다.^17,25,31 시각적 입자 표상의 직접적 활용 형태는 학생의 개념 이해에 도움을 주며⁴⁰ 시각적 입자 표상에 제시된 정보를 해석하거나 개념 설명을 위해 시각화하는 과정에 학생이 직접 참여하여 학습 참여도와 학습에 대한 흥미를 높인다.⁴¹ 따라서 설명 영역에서도 입자 개념을 시각적으로 설명하고 보충하는 역할뿐 아니라 설명 영역에서 제시된 개념의 명확한 이해를 돕고 과학적 사고를 촉진하는 도구가 될 수 있도록 시각적 입자 표상을 직접적 활용 형태로 제시하는 것을 고려해 볼 필요가 있다.

설명과 평가 영역에서는 직접적 활용의 시각적 입자 표상이 요구하는 활동 방식 중 해석하기가 주로 나타났지만 탐구 영역에서는 다른 두 영역에 비해 완성하기와 생성하기의 비율이 높았다. 하지만 탐구 영역에서도 생성하기의 비율은 완성하기에 비해 낮았는데 이러한 결과는 학생이 학습한 입자 개념과 입자 표상 시각화 방법을 활용해 스스로 입자 표상을 시각화해 볼 기회가 충분히 제공되고 있지 못함을 시사한다. 생성하기는 과학 개념을 입자 표상으로 시각화하는 방법을 적용해 볼 기회를 제공하고 개념 이해에도 도움이 되므로²⁸ 생성하기 활동을 확대할 필요가 있을 것이다. 이때, 시각화한 표상을 다른 학생들과 공유하고 논의하는 활동은 과학 개념을 명료화하는 데 도움이 되는 것으로 알려져 있으므로,^28,42 수업에서 시각적 입자 표상 생성하기 활동은 자신이 그린 시각적 입자 표상을 공유하고 토의하는 활동과 연결하여 제공하는 것이 효과적일 것이다. 평가 영역에 제시된 활동 방식은 학생의 개념 이해를 평가하기 위해 주어진 시각적 입자 표상의 정보를 해석하는 방식이 많았다. 그러나 완성하기나 생성하기와 같이 학생이 직접 시각적으로 입자를 표상해본다면 학생의 자기 평가 기회가 될 수도 있고 교사가 학생의 개념 이해에 대한 정보를 얻는 기회가 될 수도 있다.^43-45 따라서 평가 영역에서 완성하기와 생성하기와 같은 다양한 방식으로 시각적 입자 표상을 활용하는 것은 학생의 입자 개념 평가에 효과적인 방안이 될 수 있을 것이다.

직접적 활용의 시각적 입자 표상이 요구하는 활동 수준은 설명 영역에서는 찾기 수준, 탐구와 평가 영역에서는 유추하기 수준이 주로 나타났다. 특히 찾기 수준의 활동은 설명 영역에 편중되어 있어 학생들이 시각적 입자 표상의 기초적인 해석 방법을 익힐 수 있는 기회가 제한적인 것으로 나타났다. 시각적 입자 표상의 해석과 활용은 학생들에게 쉽지 않은 과제이므로 설명 영역 이외의 여러 영역에서 다양한 활동 방식을 통하여 찾기 수준의 활동을 충분히 제공하여 시각적 입자 표상 해석 방법을 안내하고 연습할 기회를 제공할 필요성이 있다.

한편 학교 현장에 디지털 교과서가 개발되어 보급되고 있으며 디지털 과학 교과서 속에도 다양한 시각적 입자 표상이 활용되고 있다.^14,46 디지털 교과서는 서책형 교과서보다 다양하고 풍부한 시각적 입자 표상과 애니메이션을 활용한 시각적 입자 표상도 제공할 수 있다.⁴⁷ 하지만 디지털 교과서에 제시되는 시각적 입자 표상에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 학생의 효과적인 개념 학습에 필요한 정보를 제공하기 위해서는 디지털 교과서 속 시각적 입자 표상의 활용 방식을 분석할 필요가 있을 것이다.