Journal of Korean Elementary Science Education (한국초등과학교육학회지:초등과학교육)

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Narratives of Science Educators Concerning the Relationship between Theoretical Concepts and Modeling: Focus Group Discussions

과학적 이론과 모델의 관계에 대한 과학교육 연구자들의 이야기 - 포커스 그룹 토의 -

  • Received : 2023.09.05
  • Accepted : 2023.11.15
  • Published : 2023.11.30
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Abstract

In this study, the interplay between models and theories was explored through a series of focus group discussions (FGDs) involving five experts in science education. The FGDs were held seven times, beginning with the question of what is modeling in relation to models, which is a current area of research in science education. Throughout the discussion, several key issues regarding models and modeling were addressed, with a particular emphasis on their relationship to theory. A notable finding from this study is that the participants' discussions did not converge into a single viewpoint regarding the relationship between theory and models; instead, multiple related issues emerged, leading to attempts to reframe existing concepts and seek new understanding. The study findings relate to three main areas of inquiry: What is the meaning of models or modeling? What is the nature of the relationship between models and theories?, and Is modeling possible without a foundation in theory? Particularly, the relationship between models and theories was discussed in reference to the following points: 1) Is a model to be understood as derived from theory, and is modeling the application of theory to phenomena? 2) Can a model be inferred from theory? 3) Does modeling originate from a specific, structured foundational theory (a framework of empirical knowledge), or is it to be understood through the integration of various resources without explicit reference to a foundational theory? Based on the study outcomes, implications are presented for philosophy of science and for researchers and educators working in the realm of science education.

본 연구에서는 과학교육 전문가 5인으로 구성된 포커스 그룹 토의(FGD)를 활용하여 모델 및 모델링에 관한 의미를 토의하는 과정에서 주요 주제로 다루어진 '모델과 이론의 관계'를 탐색하였다. 7회 수행된 FGD는 과학교육 연구에서 활발히 진행되고 있는 '모델 및 모델링'과 관련하여 '모델 혹은 모델링이란 무엇인가'라는 질문을 출발로 하여 토의가 전개되었다. 토의 과정에서 이론과의 관계를 중심으로 모델 및 모델링에 관한 몇 가지 주요한 논제가 제기되었고, 본 연구는 그 논제를 중심으로 전개된 토의의 흐름을 추적하였다. 이 연구에서 주목한 것은 FGD에서 연구 참여자들의 이론과 모델의 관계에 대한 토의가 하나의 주장으로 수렴되지 않고, 그와 관련된 몇 가지 논제들이 새로 불거져 나오는 상황은 그 논제에 대한 기존의 개념을 탈바꿈하고 새로운 이해를 추구하는 시도로 이어졌다는 점에 있다. 연구 결과는 세 가지 논제, '모델 혹은 모델링이란 무엇인가?', '모델과 이론의 관계는 어떠한가?', '이론에 기반하지 않은 모델링은 가능한가?'를 포괄하며, 특히 모델과 이론의 관계는 1) 모델이 이론 연역적이고, 모델링이 이론을 현상에 적용하는 것으로 이해되는가, 2) 모델이 이론으로 귀납되는가, 3) 모델링이 특정 구조를 갖는 바탕이론(경험적 지식의 틀)을 기반으로 출발하거나 혹은 바탕이론이 명시적으로 드러나지 않은 채 여러 가지 다른 자원들의 연결로 이해되는가로 토의되었다. 연구의 결과를 토대로, 과학철학과 과학교육, 그리고 과학교육 연구자와 과학교사 교육에 대한 함의가 제시되었다.

Keywords

Acknowledgement

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF-2020R1I1A1A01066598).

References

  1. 고민석, 양일호(2013). 과학적 문제해결을 위한 소집단 논의 과정에서 나타난 비유적 추론의 생성 수준과 설명적 모델 생성의 관계 분석. 한국과학교육학회지, 33(2), 522-537. https://doi.org/10.14697/JKASE.2013.33.2.522
  2. 구미례, 오필석(2014). 과학 모델에 관한 초등 교사들의 인식과 실행의 관계 분석. 교육논총, 34(1), 1-17.
  3. 김영석(1999). 사회조사방법론. 서울: 나남출판.
  4. 김지윤, 최승언, 김찬종(2016). 공동생성적 대화가 중학생의 과학적 모델에 관한 이해와 모델 구성에 미치는 영향. 한국지구과학회지, 37(4), 243-268.
  5. 김진국, 남상준(2007). 좋은 지리수업에 대한 현장 지리교사들의 개념: 포커스 그룹 (Focus Group) 논의를 중심으로. 한국지리환경교육학회지(구 지리환경교육), 15(2), 153-166.
  6. 김혜리, 이선경, 김찬종(2010). 교사 학습의 협력적 과정을 이해하기 위한 상황화된 담화 접근법과 분석 사례. 한국교원교육연구, 27(3), 505-529. https://doi.org/10.24211/TJKTE.2010.27.3.505
  7. 석윤수, 윤혜경(2022). 초등학생의 계절 변화 원인에 관한 지구본 활용 모델링 분석. 초등과학교육, 41(4), 673-689.
  8. 송진웅, 강석진, 곽영순, 김동건, 김수환, 나지연, 도종훈, 민병곤, 박성춘, 배성문, 손연아, 손정우, 오필석, 이준기, 이현정, 임혁, 정대홍, 정종훈, 김진희, 정용재(2019). 미래세대를 위한 '과학교육표준'의 주요 내용과 특징. 한국과학교육학회지, 39(3), 465-478. https://doi.org/10.14697/JKASE.2019.39.3.465
  9. 심수연(2020). 교사학습공동체에 참여한 한 고등학교 교사의 과학적 모델링에 대한 이해 및 수업 실행 변화 탐색-프레임 분석을 중심으로. 한국과학교육학회지, 40(1), 29-40. https://doi.org/10.14697/JKASE.2020.40.1.29
  10. 오필석(2017). 분산 인지의 관점에 따른 모델링 중심 초등 과학 수업의 해석. 초등과학교육, 36(1), 16-30.
  11. 오필석(2009). 과학과 과학 교육에서 사용되는 모델에 관한 예비 초등 교사들의 인식. 초등과학교육, 28(4), 450-466.
  12. 유연준, 오필석(2016). 초등학생들의 계절의 변화 단원의 학습에서 모델링 중심 과학 탐구 수업의 효과. 초등과학교육, 35(2), 265-276.
  13. 유희원, 차현정, 김민석, 함동철, 김희백, 유준희, 박현주, 김찬종, 최승언(2012). 과학적 모형의 사회적 공동구성 수업에서 나타나는 과학 영재 학생들의 상호작용 역할과 개인의 내적, 관계적 요인 사이의 관련성. 영재교육연구, 22(2), 265-290.
  14. 윤혜경(2011). 초등 예비교사의 자기 모델 탐구 과정과 과학적 모델에 대한 이해 변화. 초등과학교육, 30(3), 353-366.
  15. 이가옥, 장묘욱(1993). 주제별 집단토의 방법론(Focus Group Discussion). 보건사회논집, 13(1), 84-98.
  16. 이선경(2015). 과학학습 개념변화. 서울대학교출판문화원.
  17. 이선경, 황세영(2012). 과학교육에서 융복합 교육에 대한 교사의 인식과 경험 탐색: 과학교사 포커스 그룹 논의를 중심으로. 한국과학교육학회지, 32(5), 974-990. https://doi.org/10.14697/JKASE.2012.32.5.974
  18. 이신영, 김찬종, 최승언, 유준희, 박현주, 강은희, 김희백(2012). 소집단 상호작용에 따른 심장 내 혈액 흐름에 대한 소집단 모델 발달 유형과 추론 과정 탐색. 한국과학교육학회지, 32(5), 805-822. https://doi.org/10.14697/JKASE.2012.32.5.805
  19. 이조은(2020). 유아교육에서 교육생태계에 대한 개념 찾아가기: 포커스 그룹 논의를 중심으로. 생태유아교육연구, 19(3), 195-218. https://doi.org/10.30761/ECOECE.2020.19.3.195
  20. 이종봉(2018). 과학교육에서의 지식 개념에 대한 비판적 검토: Giere의 모형 기반 과학철학을 중심으로. 서울대학교 대학원 박사학위논문.
  21. 이차은, 김희백(2016). 과학적 모형 구성 과정에서 나타난 사고 질문의 개념적 자원 활성화의 이해: 인식론적 프레이밍과 위치 짓기 프레이밍을 중심으로. 한국과학교육학회지, 36(3), 471-483. https://doi.org/10.14697/JKASE.2016.36.3.0471
  22. 이혜경, 이종혁, 최진현, 김관영, 이선경(2023). 실행-중심과학교육을 위한 지식관의 재고와 과학적 모델링의 연관성. 초등과학교육, 42(2), 343-366.
  23. 장진아, 박준형, 박지선(2023). 공기 압력에 대한 초등영재학생들의 과학그리기 및 과학글쓰기에서 구성된 과학적 설명과 어포던스 분석: 다중모드적 표상의 교육적 활용. 초등과학교육, 42(1), 161-177.
  24. 장회익(2019). 장회익의 자연철학 강의. 서울: 추수밭.
  25. 정용욱(2014). 법칙, 이론, 그리고 원리: 규범적 의미와 실제사용에서의 혼란. 한국과학교육학회지, 34(5), 459-468. https://doi.org/10.14697/JKASE.2014.34.5.0459
  26. 정용재(2020). '설다'와 '익다'의 너나들이: 이종네트워크로서 과학학습. 한국과학교육학회지, 40(6), 631-648. https://doi.org/10.14697/JKASE.2020.40.6.631
  27. 조은진, 김찬종, 최승언(2017). 과학적 모델과 모델링에 대한 중등 과학 교사의 인식 탐색. 한국과학교육학회지, 37(5), 859-877. https://doi.org/10.14697/JKASE.2017.37.5.859
  28. Aduriz-Bravo, A. (2013). A 'semantic'view of scientific models for science education. Science & Education, 22, 1593-1611. https://doi.org/10.1007/s11191-011-9431-7
  29. Aurigemma, J., Chandrasekharan, S., Nersessian, N. J. & Newstetter, W. (2013). Turning experiments into objects: The cognitive processes involved in the design of a lab-on-a-chip device. Journal of Engineering Education, 102(1), 117-140. https://doi.org/10.1002/jee.20003
  30. Bailer-Jones, D. M. (2003). Models, theories and phenomena. Proceedings of Logic Methodology and Philosophy of Science.
  31. Bailer-Jones, D. M. (2009). Scientific models in philosophy of science. Pittsburgh, PA: University of Pittsburgh Press.
  32. Bokulich, A. (2011). How scientific models can explain. Synthese, 180, 33-45. https://doi.org/10.1007/s11229-009-9565-1
  33. Bokulich, A. (2017). Models and explanation. In L. Magnani, & T. W. Bertolotti (Eds.), Handbook of modelbased science (pp. 103-118). Cham, Switzerland: Springer International Publishing.
  34. Cartwright, N. (1983). How the laws of physics lie? Oxford, UK: Clarendon.
  35. Chamizo, J. A. (2013). A new definition of models and modeling in chemistry's teaching. Science & Education, 22, 1613-1632. https://doi.org/10.1007/s11191-011-9407-7
  36. Chandrasekharan, S., & Nersessian, N. J. (2015). Building cognition: The construction of computational representations for scientific discovery. Cognitive Science, 39, 1727-1763. https://doi.org/10.1111/cogs.12203
  37. Clement, J. J. (2008). Student/teacher co-construction of visualizable models in large group discussion. In J. J. Clement & M. A. Rea-Ramirez (Eds.), Model based learning and instruction in science (pp. 11-22). Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media.
  38. Frigg, R. (2006). Scientific representation and the semantic view of theories. Theoria, 55, 49-65. https://doi.org/10.1387/theoria.553
  39. Frigg, R., & Hartmann, S. (2009). Models in science. In E. N. Zalta (Ed.), Stanford encyclopedia of philosophy. Stanford, CA: Stanford University Press.
  40. Fontana, A., & Frey, H. J. (2005). The interview: From neutral stance to political involvement. In N. K. Denzin & Y. S. Lincoln (Eds.), Handbook of qualitative research (pp. 695-728). Thousand Oaks, NJ: Sage Publications.
  41. Gelfert, A. (2016). How to do science with models: A philosophical primer. Cham, Switzerland: Springer.
  42. Giere, R. N. (1988). Explaining science: A cognitive approach. Chicago, IL: The University of Chicago Press.
  43. Giere, R. N., Bickle, J., & Mauldin, R. F. (Eds.) (2006). Understanding scientific reasoning (5th ed.). Belmont, CA: Thomson Wadsworth.
  44. Gilbert, J. K., & Justi, R. (2016). Modelling-based teaching in science education (Vol. 9). Basel, Switzerland: Springer International Publishing.
  45. Gilbert, J. K. (2004). Models and modelling: Routes to more authentic science education. International Journal of Science and Mathematics Education, 2, 115-130. https://doi.org/10.1007/s10763-004-3186-4
  46. Gilbert, J. K., & Boulter, C. J. (Eds.) (2000). Developing models in science education. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
  47. Gilbert, J. K., Pietrocola, M., Zylbersztajn, A., & Franco, C. (2000). Science and education: Notions of reality, theory and model. In J. K. Gilbert & C. J. Boulter (Eds.), Developing models in science education (pp. 19-40). Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
  48. Gobert, J. D., & Pallant, A. (2004). Fostering students' epistemologies of models via authentic model-based tasks. Journal of Science Education and Technology, 13(1), 7-22. https://doi.org/10.1023/B:JOST.0000019635.70068.6f
  49. Greca, I. M., & Moreira, M. A. (2000). Mental models, conceptual models, and modeling. International Journal of Science Education, 22(1), 1-11. https://doi.org/10.1080/095006900289976
  50. Hacking, I. (1983). Representing & intervening: Introductory topics in the philosophy of natural science. Cambridge university press.
  51. Halloun, I. A. (2006). Modeling theory in science education. Dordrecht, The Netherlands: Springer.
  52. Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. (1997). Minds of our own: Can we believe our eyes? Annenberg Foundation. 
  53. Hestenes, D. (1987). Toward a modeling theory of physics instruction. American Journal of Physics, 55(5), 440-454. https://doi.org/10.1119/1.15129
  54. Henze, I., van Driel, J. H., & Verloop, N. (2007). Science teachers' knowledge about teaching models and modelling in the context of a new syllabus on public understanding of science. Research in Science Education, 37, 99-122. https://doi.org/10.1007/s11165-006-9017-6
  55. Justi, R., & Gilbert, J. K. (2003). Teachers' views on the nature of models. International Journal of Science Education, 25(11), 1369-1386. https://doi.org/10.1080/0950069032000070324
  56. Koponen, I. T., & Tala, S. (2014). Generative modelling in physics and in physics education: From aspects of research practices to suggestions for education. In M. R. Matthews (Ed.), International handbook of research in history, philosophy and science teaching (pp. 1143-1169). Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media.
  57. Liu, Z., Ne rse ssian, N. J., & Stasko, J. T. (2008). Distributed cognition as a theoretical framework for information visualization. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 14(6), 1173-1180. https://doi.org/10.1109/TVCG.2008.121
  58. Lehrer, R., Schauble, L., & Lucas, D. (2008). Supporting development of the epistemology of inquiry. Cognitive Development, 23, 512-520.
  59. Lopes, J. B., & Costa, N. (2007). The evaluation of modelling competences: Difficulties and potentials for the learning of the sciences. International Journal of Science Education, 29(7), 811-851.
  60. Morgan, M., & Morrison, M. (Eds.). (1999). Models as mediators: Perspectives on natural and social science. Cambridge, UK: Cambridge University Press.
  61. Nagel, E. (1961). The structure of science: Problems in the logic of scientific explanation. New York, NY: Harcourt, Brace & World, Inc.
  62. Nelson, M. M., & Davis, E. A. (2012). Preservice elementary teachers' evaluations of elementary students' scientific models: An aspect of pedagogical content knowledge for scientific modeling. International Journal of Science Education, 34(12), 1931-1959.
  63. Nersessian, N. J. (1999). Model-based reasoning in conceptual change. In L. Magnani, N. J. Nersessian, & P. Thagard (Eds.), Model-based reasoning in scientific discovery (pp. 5-22). New York, NY: Springer Science+Business Media.
  64. Nersessian, N. J. (2006). Model-based reasoning in distributed cognitive systems. Philosophy of Science, 73, 699-709. https://doi.org/10.1086/518771
  65. Nersessian, N. J. (2008). Creating scientific concepts. Cambridge, MA: The MIT Press.
  66. Nersessian, N. J., & Patton, C. (2009). Model-based reasoning in interdisciplinary engineering. In A. W. M. Meijers, D. M. Gabbay, P. Thagard, J. Woods (Eds.), Philosophy of technology and engineering sciences (pp. 678-718). Amsterdam, The Netherlands: Elsevier.
  67. National Research Council. (2012). A framework for K-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas. Washington, DC: The National Academies Press.
  68. NGSS Lead States. (2013). Next generation science standards: For states, by states. Washington, DC: The National Academies Press.
  69. Oh, P. S., & Oh, S. J. (2011). What te ache rs of scie nce need to know about models: An overview. International Journal of Science Education, 33(8), 1109-1130.
  70. Passmore, C., Gouvea, J. S., & Giere, R. (2014). Models in science and in learning science: Focusing scientific practice on sense-making. In M. R. Matthews (Ed.), International handbook of research in history, philosophy and science teaching (pp. 1171-1202). Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media.
  71. Passmore, C., Stewart, J., & Cartier, J. (2009). Model-based inquiry and school science: Creating connections. School Science and Mathematics, 109(7), 394-402.
  72. Radinsky, J., Oliva, S., & Alamar, K. (2010). Camila, the earth, and the sun: Constructing an idea as shared intellectual property. Journal of Research in Science Teaching, 47(6), 619-642. https://doi.org/10.1002/tea.20354
  73. Rea-Ramirez, M. A., Clement, J., & Nunez-Oviedo, M. C. (2008). An instructional model derived from model construction and criticism theory. In J. J. Clement & M. A. Rea-Ramirez (Eds.), Model based learning and instruction in science (pp. 23-43). Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media.
  74. Pierson, A. E., & Clark, D. B. (2019). Sedimentation of mode ling practices. Science & Education, 28, 897-925. https://doi.org/10.1007/s11191-019-00050-4
  75. Schwarz, C. V. (2009). Developing preservice elementary teachers' knowledge and practices through modeling-centered scientific inquiry. Science Education, 93(4), 720-744. https://doi.org/10.1002/sce.20324
  76. Tharp, R. G., & Gallimore, R.(1988). Rousing minds to life: Teaching, learning, and schooling in social context. Cambridge, UK: Cambridge University Press.
  77. Van Driel, J. H., & Verloop, N. (2002). Experienced teachers' knowledge of teaching and learning of models and modelling in science education. International Journal of Science Education, 24(2), 1255-1272. https://doi.org/10.1080/09500690210126711
  78. Windschitl, M., & Thompson, J. (2006). Transcending simple forms of school science investigation: The impact of preservice instruction on teachers' understandings of model-based inquiry. American Educational Research Journal, 43(4), 783-835. https://doi.org/10.3102/00028312043004783
  79. Windschitl, M., Thompson, J., & Braaten, M. (2008). Beyond the scientific method: Model-based inquiry as a new paradigm of preference for school science investigations. Science Education, 92(5), 941-967. https://doi.org/10.1002/sce.20259