학생들의 환경과학행위성 변화를 알아보기 위해, 기술적-해석학적 질적 연구
(descriptive-interpretive qualitative research) 방법론을 이용하였다 (Elliott &
Timulak, 2021). 사범대학에 재학 중인 예비교사 대학생을 대상으로 우리 주변의 환경 문제를 탐구하게 하고, 이 결과를 바탕으로 환경 문제 해결을 위한 방안을
수립·실천하도록 하는 교육 프로그램을 진행하였다. 총 5명의 학생이 참여하였는데,
그중 3명의 사례를 구체적으로 연구하였다. 분석에 포함되지 않은 한 명의 학생은
연구 초기에 참여를 중단하였으며, 다른 한 명은 당사자의 개인적인 이유로
분석에서 제외하였다.
(1) 교수 설계
이 교육 프로그램은 프로젝트 기반의 실천지향 과학 탐구 학습 (project-based
and action-oriented scientific inquiry learning)으로, 학생들은 우리 주변의 의심되는 환경 문제에 대해 과학적인 방법을 이용하여 탐구를 수행하고, 이렇게 얻어진
과학적 증거를 기반으로 자기주장을 형성하고, 그리고 문제 해결을 위한 방안을
계획하고 실천하는 것으로 구성되어 있다.
본 프로그램의 특징적인 부분은 환경 문제에 관한 과학 탐구를 수행하는
과정에서 피지컬 컴퓨팅과 사물 인터넷 기술을 이용한 DIY 측정 장치 (DIY-MD)를
직접 만들어 이용한다는 점이다. 학생은 이 장치를 통해 자신의 주장을 뒷받침할
과학적 증거를 수집하게 된다.
수업은 총 8주차 (24차시)로 이루어져 있으며, 1차시는 50분으로 구성되어
있다 (표 8). 수업은 크게 Part 1에 해당되는 12차시와 Part 2에 해당되는 12차시로
나뉜다. Part 1에서 학생들은 DIY-MD 제작과 IoT 플랫폼 활용에 관해 학습하였다.
본 프로그램의 주목적은 학생들의 코딩 기술이나 컴퓨팅 사고력을 계발하는 데
있는 것이 아니므로, 프로그래밍에 필요한 상세한 문법이나 알고리즘보다는
예제에 기반해서 측정 장치를 개발하는 실용적인 능력을 갖추는 것에 초점을
두었다. 1~2주차에는 아두이노의 기본적인 내용을 학습하였고, 3주차부터
본격적으로 특정 변인을 측정하여 IoT 플랫폼으로 전송하는 방법에 대해
학습하였다. 학생들은 연습으로 온습도 센서 (DHT11)를 통해 온도와 습도를
측정하고, 이를 IoT 플랫폼으로 전송하는 측정 장치를 만들어보았다. 4주차에는
3주차에서 배운 내용을 토대로, 여러 센서를 연결해서 측정 장치를 만들어보는
실습을 진행했다. 또한, Part 2에서 진행될 개별 프로젝트에 관해 설명을 해주고,
이와 관련된 국내외 우수 사례들을 소개하였다. 여기서 보여준 사례들의 상당수는
국내외에서 진행된 시민 과학 프로젝트였다. 학생들에게는 다음 시간까지 각자가
생각한 주제를 정리해서 발표해야 한다고 알렸다.
Part 2에서는 의심되는 환경 문제를 선택하고, 측정 장치를 이용하여 환경
문제를 탐구한 다음, 수집된 과학적 증거를 기반으로 환경 문제 해결을 위한 방안을
수립하고 실천하였다. 5주차에는 모든 학생이 모여서 각자가 생각한 주제, 탐구
계획, 예상 결과, 사회적 실천 계획을 발표하였다. 발표마다 교수자와 학생들이
피드백을 주었다. 그리고 남은 시간 동안은 피드백을 바탕으로 자신의 계획을
수정하는 시간을 가졌다. 이후 6주차부터 탐구를 수행하였고, 탐구를 통해 얻은
데이터를 분석하여 시사점을 도출하고, 이를 근거로 사회적 실천을 수행하였다.
표 8 프로그램 계획
Part 주차
(차시) 내용 수업형태
Part 1 1 (1~3)
피지컬 컴퓨팅과 사물 인터넷
전기 신호의 원리 (디지털 신호와 아날로그 신호)
디지털 입출력 (LED 깜빡이기, 저항과 브레드보드, 시리얼 모니터)
집합
2 (4~6)
아날로그 입출력 (가변 저항, 조도 센서, 온도 센서)
라이브러리를 활용한 코딩 (초음파 센서, 서보 모터)
아두이노 응용하기 (LCD)
집합
3 (7~9)
센서와 액추에이터 (온습도 센서 DHT11)
Wi-Fi 모듈 (ESP-01)을 통한 인터넷 접속
IoT 플랫폼 (ThingsBoard)으로의 데이터 전송
IoT 플랫폼에서 데이터 분석하기
집합
4 (10~12)
자신이 원하는 센서를 골라 IoT 플랫폼으로 데이터 전송하기
앞으로 진행될 개별 프로젝트 안내
개별 프로젝트와 관련된 국내외 우수 사례 소개
집합
Part 2 5 (13~15)
주제발표 및 탐구 설계
교수자 또는 동료 학생 간의 피드백 집합
6~8 (16~24)
측정 기기 제작
데이터 수집
데이터 분석 및 실천 계획 수립
사회적 실천
개별
(2) 연구 참여자
이 연구에는 사범대학에 재학 중인 2, 3학년 5명이 참여하였다. 여자 1명, 남자
4명으로 구성되어 있으며, 모두 지구과학 교육을 전공하고 있다7F. 이 학생들은
2020년 1학기에 ‘지구과학교육론’을 수강하였고, 15주차 수업 중 1주차 분량으로
STS, SSI 교육, 실천지향 과학 교육 등을 학습하였다. 해당 주차의 수업이 끝나고
연구자는 학생들에게 교육 프로그램과 본 연구에 대해 알리고 연구 참여자를
모집하였다. 코로나19의 확산으로 수업이 비대면으로 이루어지고 있었기 때문에,
연구 참여 홍보 또한, 비대면으로 진행되었다.
연구 참여자 모집 과정에서는 크게 2가지 요소가 강조되었다. 첫째는
프로그래밍 교육에 관한 부분이었다. 4주간 아두이노를 활용한 피지컬 컴퓨팅
교육이 이루어질 것이고 사물 인터넷에 대한 활용 방법을 포함할 것이라 안내했다.
이 교육을 통해 학생들은 센서를 아두이노에 연결하여 측정 장치를 개발하고, 사물
인터넷 플랫폼으로 데이터를 전달하고, 플랫폼상에서 수집된 데이터를 분석하는
법을 배우게 될 것이라고 설명했다. 둘째는 사회적 실천에 관한 부분이었다. 센서를
아두이노에 연결하여 측정 장치를 만드는 궁극적인 목표는, 우리 사회에 있는
문제를 해결하는 데 이 장치를 이용하기 위함이다. 따라서 학생들에게 프로그래밍
교육을 통해 배운 내용을 바탕으로 우리 사회의 문제를 해결하는 프로젝트를 각자
수행하게 될 것이라고 설명했다.
연구자와연구참여자간의관계
이 연구는 연구자가 직접 교수자가 되어 교육 프로그램을 운영하였다. 연구
참여자들은 연구자와 약 10년 정도의 차이가 나는 대학 선후배 관계이며, 이들은
이 연구 산출물이 연구자의 박사학위 논문의 데이터로 사용된다는 것을 인식하고
있었다. 연구자는 연구 수행 과정에서 일부 참여자들이 ‘자신들이 성실하게
참여하지 않으면 선배의 졸업에 지장을 줄 수 있다’고 생각하는 것을 알게 되었다.
연구자와 연구 참여자 간의 잘못된 권력 관계는 연구 참여자의 이익을 침해할 뿐만
아니라 연구 데이터가 왜곡되는 문제가 발생할 수 있다. 연구자는 이러한 문제를
해결하기 위해 다음과 같은 메시지를 3주차에 연구 참여자들에게 전달하였다.
연구자 : 이 연구를 참여하는 도중에 연구 참여를 중단하고 싶다면 이유와 상관없이 언제든 가능합니다. 여러분들의 연구 참여 중단은 제 연구에 방해가 되지 않습니 다. 또한, 여러분들이 이 프로그램에서 우수한 성취를 거둬야만 제 연구가 가치 있 게 되는 것이 아닙니다. 자연스러운 환경에서 여러분들의 자유 의지에 따라 행동 하시면 됩니다. 그것이 가장 연구를 가치 있게 만드는 길이기도 합니다.
(수업 3주차 이후 연구 참여자 카카오톡 대화방에 보낸 메시지)
초기에 5명의 학생이 연구에 참여하였으며, 1명의 학생은 개인적인 사유로 4주차에
참여를 중단하였다.
Y학생
Y학생은 지구과학 교육을 전공하는 대학교 2학년 학생이다. 지방 중소도시의 일반계 고등학교를 졸업하였다. 최근 코딩이 매우 대세라고 인식하여 기회가 되면
코딩을 배워야겠다고 생각하고 있었지만, 기회가 없었다. 만약 기회가 온다면
닥치는 대로 해봐야겠다고 생각하고 있던 와중에, 본 프로그램에 대한 안내를 받게
되었고, 선뜻 참여를 결정하였다. 수학과 과학, 교육학에 관심이 있어서
지구과학교육과에 진학하였지만, 졸업 후에는 자연과학 분야 대학원으로 진학할
계획이다.
Y학생은 ‘P지역 방사광 가속기의 유해성’을 주제로 선정하였다. 해당 방사광 가속기가 자신의 본가 주변에 있었기 때문에 주제를 고르는 과정에서 해당 주제가
쉽게 떠올라 주제로 선택했다. 하지만 Y학생이 평소 방사광 가속기의 유해성에
대해 걱정한 것은 아니었다. Y학생은 가우거 계수기 모듈과 Wi-Fi 모듈을
아두이노와 연결해서 방사광 가속기 주변의 방사능 수치를 측정하는 사물 인터넷
측정 장치를 제작하였다 (그림 16). 방사광 가속기가 연중 항시 운행하는 것이
아니므로, 방사광 가속기 홈페이지의 운행 일정을 확인해서 방사선을 측정하였다.
방사광 가속기 주변에서 측정된 방사선 세기는 방사광 가속기에서 멀리 떨어진
지역과 비교했을 때 큰 차이가 없었고, 이를 통해 방사광 가속기로 인한 유해 방사선
방출에 대해 걱정할 필요가 없다는 결론에 이르렀다. Y학생은 이미 지역 사회에
방사광 가속기에 대한 우려가 거의 없는 상태이므로 안전함을 알리는 사회적 실천
W F d (E P-01)
1 1 11 10
EF
1
E E
(PW)
d EF
P
P
PWE
0 1 0 0
EE1101 0
1101 0 EF
g – ü
활동은 무의미하다고 판단하였고, 연구자에게 사회적 실천을 수행하지 않겠다고
알려왔다.
J학생
J학생은 지구과학 교육을 전공하는 대학교 2학년 학생이다. 지방 대도시의
일반계고등학교를 졸업하였다. 이 학생은 “미래 교사로서 미래를 살아가기 위한
무언가를 배우기 위해서” 이 프로그램에 참여했다고 말하면서, 구체적으로
‘무언가’에 대해서는 ‘코딩’과 같이 미래 사회에 살면서 필요하게 될 것들이라고
응답하였다. 하지만 사범대 학생이니까 미래 교사로서의 자질을 갖춰야 한다는
당위적인 생각에서 위와 같이 응답한 것일 뿐 실제 진로 계획이 교사가 되려는 것은
아니고 현재는 별 진로 계획이 없는 상태이다.
J학생은 ‘실내 자외선의 유해성’을 주제로 선택하고, 학교 건물 내에서
사람들이 장시간 체류하는 장소들의 자외선을 측정하기로 계획하였다. J학생은
유리창을 투과해서 강하게 들어오는 햇볕에는 강한 자외선이 포함되어 있으므로
강의실 창가 좌석이나 햇볕이 잘 드는 라운지 좌석 등에 앉아있는 사람들이
자외선에 심하게 노출될 것이라 가설을 세웠다. 그리고 자외선을 측정하기 위한
적절한 센서를 찾아보았다. 이 실험에서는 mW/cm2와 같은 단위의 자외선 세기를
측정하는 것이 아니라, 실생활에서 자외선의 유해도를 판단할 수 있는 자외선 지수
(UVI)를 얻어내는 것이 중요했다. J학생은 이에 적합한 센서로 CJMCU-S12SD를 찾아냈고, 이를 이용하여 DIY-MD를 만들었다 (그림 17).
J학생은 먼저 자신의 학과가 위치한 건물의 실내외 자외선을 측정했다. 햇빛이