Ⅲ. 연구 방법
3.2. 모델링 수업의 구성
모델링을 통해 관찰한 현상을 설명하는 활동은 학생들이 교사의 도움 없이 처음부터 단독으로 수행하기에는 어려움이 있다(Boulter, 2000;
Louca et al., 2011). 따라서 학생들에게 두 차례의 수업을 통해 모델 기반 탐구에 필요한 선행 지식을 전달하였다. 각 수업에서 사용한 활동지는 부 록에 수록하였다.
3.2.1. 실험 설계를 위한 수업 1
학생들은 모델링에 관한 지식이 없는 상태이다. 실험을 설계 하기 위해서는 현상을 단순화하고 변인을 선정하는 잠정적인 기술적 모 델링이 선행되어야 하므로 이를 돕기 위해 수업 1을 진행하였다. 순서는 표 3-1과 같다. 수업 1은 ‘Modeling Theory in Science Education (Halloun, 2008)’을 바탕으로 구성되었다.
[표 3-1] 수업 1의 구성
Ⅰ. 이론의 선택
Ⅱ. 시스템의 추출 및 관심 요인의 선정
Ⅲ. 변인 선정
선택하는 이론의 체계에 따라 모델링의 방향이 결정되므로(Hestenes, 1987), 탐구 수행을 위해 필요한 이론에 대한 논의를 가장 먼저 진행하 였다. 탐구 주제에 뉴턴의 역학 이론을 이용해야 함이 비교적 명확히 드 러나므로 선택에 대한 고민은 거의 없었고 학생들은 뉴턴의 역학 이론을 진술할 수 있으며 수학적 형태로 비교적 정확히 표현할 수 있음을 확인 하였다. 두 번째로는 자동차의 운동에 영향을 주는 수많은 요인들 중 탐 구의 목적을 고려하여 관심 요인과 부차적 요인을 구분하기 위한 목적으 로 수업을 진행하였다. 부차적 요인은 자동차의 운동에 영향을 줄 수 있 지만, 측정값에 주는 효과가 미미하거나 분석의 용이성을 위해 무시할 수 있는 요인이다. 이를 위해서는 먼저 자동차, 방지턱과 같이 힘을 가하 거나 받는 주요 대상을 식별해야 한다. 가령, 이 탐구에서 중력을 관심 요인으로 고려한다면 지구는 자동차와 상호작용하는 동인(agent)으로서 시스템에 포함된다. 그러나 중력을 부차적 요인으로 간주한다면 자동차 와 방지턱만이 시스템의 구성 요소로 추출될 것이다.
세 번째는 변인(variable)의 성격 및 특징, 탐구 과정에서 갖는 중요성 에 대한 내용이다. 변인은 측정할 수 있는 물리량의 형태이어야 하며, 탐 구의 목적에 비추어 타당한 것이어야 한다. 따라서 이 부분에서 학생들 은 앞서 선택한 과학자 이론, 관심 요인 및 시스템 추출에서 결정된 내 용을 바탕으로 적절한 변인을 선택해야 한다.
수업 1이 가장 우선적으로 진행되어야 하는 다른 중요한 이유는 사실상 초기 모델에 포함되는 변인이 실험에서 측정해야 할 주요 물리량이기 때 문이다.
3.2.2. 메타 모델링 지식의 전달을 위한 수업 2
학생들이 효과적으로 모델 기반 탐구를 수행하기 위해서는 모델의 본성에 관한 이해를 바탕으로 모델의 개념을 정립해야 한다.
메타 모델링 지식은 모델의 본성에 관한 지식으로 학생들이 모델을 인 식하고 그것이 무엇인가에 관한 이해를 돕기 위해 제공된다. 따라서 메 타 모델링 지식은 학생들이 모델 기반 탐구를 수행하는 데 필수적으로 갖추어져야 할 요소이므로 수업 2를 통해 학생들에게 전달되었다. 수업 2는 모델 2.0이 도출된 이후 진행되었고, 이후 모델 3.0과 4.0, 5.0이 만들 어졌다. 이와 같은 수업 2의 시점은 메타 모델링 지식이 탐구 학생들의 논의에 미치는 영향을 탐색하기 위한 것이다. 수업 2의 내용은
‘Modeling Theory in Science Education(2008)’ 및 ‘Creative model construction in scientists and students(2008)’, Weisberg(2006), Chun-Qing XU(2017)의 내용을 참고하여 구성하였다(표 3-2).
학생들은 먼저 생소했던 모델의 의미, 모델의 역할 및 성격, 모델의 평 가에 대한 내용을 접하게 된다. 모델은 낯선 물리적 상황을 설명해야 할 때, 개인이 보유한 지식과 경험, 주어진 상황과 유사하다고 판단한 사례 들을 이용해 익숙한 것들로 바꾼 결과로 정의하고 다양한 사례를 제시하 여 이해를 도왔다. 또한, 모델은 ‘과학자의 이론을 적용하여 수학으로 나 타낼 수 있게 하기 위한 매개물’로 정의하여 모델링의 목적이 이론을 적 용한 정량적 분석임을 강조하였다. 더불어, 학생들이 모델은 고정된 지식 이 아니라 관찰된 현상에 견주어 평가될 수 있으며, 현상을 설명할 수 없으면 수정되거나 폐기될 수 있음을 인지할 수 있도록 하였다. 두 번째 로는 물리학에서 자주 사용되는 모델링의 방법으로 단순화 (simplifica -tion), 유비(analogy), 부분으로 나누어 생각하기(divide and combine)를 제시하고 교과 내용과 물리학 연구에서 찾을 수 있는 친숙한 사례를 들 어 설명하였다.
[표 3-2 ] 수업 2의 구성
Ⅰ. 모델 및 모델링
Ⅱ. 모델링의 방법
Ⅲ. 모델의 정교화(수정)
모델의 정교화(또는 수정)는 기존의 모델을 수정하여 모델이 더 폭넓게 실험 결과를 설명할 수 있도록 하는 과정이다. 이 과정은 정해진 논리적 통로가 없는 창의적인 과정으로 문제 해결 맥락의 불확실성이 매우 높 다. 따라서 학생들이 이 과정에서 큰 어려움을 겪으리라 예상할 수 있다.
이에 본 연구에서는 모델의 이상화 조건을 되돌리는 방식의 모델 정교화 전략 즉, ‘이상화 해제(De-Idealization)’를 사용하여 모델 수정 맥락에서 학생들의 어려움을 조금이나마 해소하고자 하였다. 이와 관련한 근거는 Giere (2001)와 Weisberg(2006)의 언급에서 찾을 수 있다. Giere는 모델 의 예측과 관찰된 현상이 다른 이유를 모델의 가정(조건)에서 찾아야 함 을 강조하였다. 또한, Weisberg는 모델이 실재를 단순화․이상화한 것이 므로 이를 위한 이상화 조건(Constraints)을 반드시 포함함을 지적하면서
‘이상화 해제’를 모델을 정교화하기 위한 하나의 전략으로 제안하였다.
학생들이 이와 같은 전략을 이해하기 위해서는 먼저 모델의 조건에 대한 인식이 선행되어야 한다. 따라서 수업 2에서는 학생들에게 모델에서 조 건의 필요성을 설명하고 모델 1.0과 2.0의 조건을 정리하여 기록하도록 하였다. 또한, 학생들과 함께 모델 1.0의 실패와 2.0으로의 수정 과정을 복기함으로써 이상화 해제에 관한 이해를 도왔다. 모델 2.0은 실험 결과 를 설명할 수 있도록 교사가 모델 1.0을 수정한 결과이다. 이때 일어난
이상화 조건의 변화에 관해 학생들과 논의하고 이상화 해제 개념을 설명 하는 것은 학생들이 생소한 개념을 효과적으로 이해하는 데 도움이 된 다.