가. 귀납적 탐구중심의 데이터 기반 과학탐구 모형 1) 연구대상
연구에 참여한 학생들은 서울에 위치한 중학교 자율동아리 학생들로 남학생 4명(2학년 2명, 3학년 2명), 여학생 4명(2학년 1명, 3학년 3명)을 대상으로 하였다. 연구 참여자 8명은 모두 교내 성적 10% 이내의 상위 권 학생들로, 지역교육지원청 과학 영재원에서 2년 이상 다양한 과학탐구 실험을 경험하여 일반 학생들에 비해 과학탐구에 대한 관심과 경험이 많 고 선행지식이 풍부하였다.
학생들이 소속된 자율동아리는 연구 자료가 수집된 2017년도 3월에 창 설된 동아리로 학생들 간의 학년이 다르고 동아리 창설 전에는 모일 기 회가 많지 않았으나, 같은 영재원 소속인 친구나 선후배들이기 때문에 쉽게 친해질 수 있었다. 이러한 친목의 정도는 학생들이 탐구하는 과정 에서 논의를 얼마만큼 자유롭게 제시할 수 있느냐의 문제로 자율동아리 활동이 진행될수록 2학년 학생들이 편안하게 자신의 의견을 제시할 수 있었다. 또한 연구자와도 교과 담당 교사, 일반 동아리 활동 교사, 영재 원 담임교사 등으로 각 학생들과 모두 자율동아리 이외의 친분을 쌓고 있어 서로 간 의사소통이 자유롭고, 이에 학생들이 하는 생각이나 어려 움을 쉽게 파악할 수 있었다.
2) 학습 과제 및 진행방법
동아리 활동의 연간 탐구 주제를 ‘교실 공기의 질’로 정한 후 미세먼지 에 따른 교실 환기 가이드라인 제작을 목표로 탐구를 실시하였다. 5월부
으며, 9월부터 11월까지는 보고서를 작성하고 실천 운동과 연계하는 활 동이 주를 이루었다. 학생들이 교실에서 생활하는 과정에서 실제 발생하 는 먼지, 환기 여부에 따른 공기의 질, 시간표에 따른 교실 움직임의 변 화, 선풍기 여부 등 여러 조건들과 교실 공기의 질이 어떠한 연관성을 파악하는 분석 활동이 주로 이루어졌고, 데이터는 오전 8시부터 방과 후 까지 약 2주간 여러 교실에서 수집되었다. 학생들은 수집한 데이터를 엑 셀 프로그램을 사용하여 분석하였다. 엑셀은 데이터 과학자들에게 매우 편리하고 유용성 높은 도구로(김용민, 2018), 쉽게 접할 수 있으면서도 강 력한 계산 기능과 시각화의 기능을 갖추고 있다. 무엇보다 함수식을 사용 하여 함수 그래프와 통계 그래프를 그릴 수 있어 탐구 활동에 적절하게 활용할 수 있다(강문봉, 2009).
측정 도구는 시중에 판매되는 많은 미세먼지 측정기기 중에 데이터가 축적되어 다운로드 받을 수 있는 것으로 구입하였다(그림 Ⅲ-3). Airvisual Node는 미세먼지, 초미세먼지, 황산화물, 질산화물을 측정하고 이를 계산 하여 공기의 질을 나타내는 AQI(Air Quality Index) 지수로 표현하는 측정 기기로 온도, 이산화 탄소 농도, 습도 등을 부가적으로 측정할 수 있다. 측 정값과 계산 값은 엑셀 파일의 형태로 다운로드 받을 수 있으며 인터넷 연결이 가능한 상태에서는 실시간 스마트폰 앱으로 수치 확인이 가능하다.
<그림 Ⅲ-3> 본 연구에 활용된 디지털 탐구도구(Airvisual Node)
3) 자료수집
학생들은 일주일에 한 번 점심시간과 한 달에 한 번 정도 방과 후 시 간을 이용하여 탐구를 진행하였다. 학생들이 탐구과정에서 나눈 대화 및 논의는 녹음 후 전사하였으며, 수행 당시의 분위기나 특이한 점은 현장 노트에 기록하였다. 또한 학생들이 탐구 과정에서 제출한 연구 노트, 그 래프 자료, 최종 탐구 보고서, 인터넷 동아리 카페에 올린 검색 정보, 그 래프, 관련 해석 등도 수집하여 분석 대상에 포함하였다. 탐구 활동에 대 한 면담은 미세먼지 데이터를 수집하고 분석하는 과정을 마친 시점에 시 행되었으며, 2시간가량 집단 면담의 형태로 이루어졌다.
학생들의 논의 및 회고적 면담의 전사본 및 연구자의 현장 노트와 참 여 일지, 최종 보고서를 주자료로 분석하였으며, 그 외 수집된 자료들은 보조자료로 활용하였다.
4) 분석방법
지식정보처리역량 측면에서의 어려움을 분석하기 위해 문헌 연구 결과 추출된 지식정보처리역량의 요소를 중심으로 범주화될 수 있는 것들을 찾아 재분류하고 코딩하였다. 코딩한 내용을 주제별로 재범주화 하여 1 차 분석을 실시하였다. 수업의 요소를 바탕으로 이와 관련된 학생들의 활동과 어려움을 학생들의 논의 및 탐구 일지, 연구자의 현장노트 등을 토대로 범주화하였다. 범주화된 내용을 다시 상위 범주로 묶고 상위 범 주에 해당하는 내용을 추가적으로 발견하고 분석한 내용을 확인하기 위 해 논의 내용 전사본과 회고적 면담 전사본을 반복관찰하고 학생들의 탐 구일지 및 탐구 보고서 등을 보조자료로 활용하였다. 특히 학생들의 탐 구가 난관에 봉착하였거나 잘못된 방향으로 진행될 때 지도교사는 학생 들에게 착안점을 제공하거나 잘못된 점을 지적하여 탐구의 방향을 바로
잡아 주었는데, 이 경우도 학생들이 겪는 어려움으로 분석하였다. 분석은 논의 내용 전사본과 면담 기록을 반복 관찰하는 지속적 비교연구법 (Glaser, 1965; Charmaz, 2006)을 사용하였다.
나. 연역적 탐구중심의 데이터 기반 과학탐구 모형
1) 연구대상
경기도에 위치한 영재교육원에 재원 중인 15명의 학생 중 희망자인 12 명의 학생들을 대상으로 연구가 진행되었다. 연구 참여자는 고등학교 1 학년 학생으로, 일반적으로 과학에 흥미가 있고 학업성적이 중상위권이 었다. 소속 학교가 대부분 달라 학생들 간의 친밀도는 높은 편은 아니었 고, 같은 소속 학교 친구들끼리 모여 앉아 수업에 참여하는 경향이 있었 다. 본 연구에서는 학생들 간의 친밀도가 높아야 의견 교환이 자유롭게 이루어진다고 판단하여, 새롭게 모둠을 구성하지 않고 학생들의 의견을 수용하여 친한 친구들끼리 모둠을 구성할 수 있도록 하였다. 1, 2회기는 한 모둠을 2인으로 구성하였으며, 3회기는 6명을 한 모둠으로 구성하여 진행하였다. 이는 자유탐구의 형태로 진행되면서 준비물을 구비의 어려 움이 있어 선택한 차선책이었다. 2회기에서 도출된 여러 주제 중 학생들 의 가장 많은 호응을 받은 두 개의 주제를 선택하여 연구자는 준비물을 미리 구입하고, 학생들을 희망에 따라 2개의 모둠으로 나눈 후 학생들이 주도적으로 실험에 참여할 수 있도록 안내하였다. 학생들 대부분은 수업 에 성실하게 참여하려고 노력하였으나 노트북을 이용하여 활동이 이루어 질 때는 주도적으로 참여하는 학생과 그렇지 못한 학생이 구별되는 양상 을 보였다.
2) 학습과제
학습과제는 회기당 6차시로 3회기 총 18차시 적용되었다(표 Ⅲ-2). 전 체 프로그램은 학생들이 디지털 탐구도구를 제작하고, 이를 이용하여 데 이터를 수집한 후, 문제를 발견하여 탐구를 수행하는 형태로 진행하였다.
1회기에서는 학생들이 측정 도구를 직접 제작하는 활동을 하였다. 아 두이노를 기반으로 원하는 센서를 설치하여 데이터를 실시간 전송할 수 있는 모듈을 제작하였다. 따라서 학생들이 아두이노에서 사용하는 소프 트웨어 언어를 이해하고, 센서에 맞게 회로를 구성하여 스스로 코딩 언 어를 쓸 수 있도록 교육하였고, 센서의 설치 장소를 결정하도록 하였다.
<그림 Ⅲ-4> 본 연구에서 사용한 아두이노 보드
2회기에서는 data.tinkable.net 사이트에 계정을 생성한 뒤, 아두이노 센서를 통해 얻은 CSV 형식의 파일을 다운받아 엑셀 프로그램을 이용 하여 변형하고 의미를 분석하였다. 그래프를 해석하는 과정에서 생기는 다양한 질문들을 적어보고 질문에 대한 답을 찾기 위해 인터넷을 검색하 였다. 답을 찾지 못한 질문 중 하나를 선택하여 탐구 문제로 구체화하였 으며, 이를 해결하기 위하여 실험을 설계하고, 웹기반 문서를 이용하여 보고서를 작성하였다.
3회기에서는 2회기에 계획한 탐구를 수행하였다. 2회기에서 각각의 모 둠이 제출한 6개의 주제 중, 학생들이 정해진 시간 안에 탐구를 실시할 수 있고, 학생들이 선호하는 두 개 주제를 선정하여 탐구를 수행하였다.
탐구를 통해 얻은 결론은 2회기에서 학습한 웹기반 문서에 작성하고 발 표를 통해 공유하였다.
회기 주제 학생 활동
1회기
(6차시) 도구의 제작
아두이노 코딩을 이해하고 내 주변 환경의 다 양한 자연 현상값을 측정할 수 있는 탐구도구 를 제작한다.
2회기 (6차시)
데이터 분석과 문제발견과
실험설계
축적된 데이터를 엑셀 프로그램을 이용하여 탐색적으로 분석하고 이 과정에서 질문을 생 성한다. 생성된 질문을 토대로 문제를 구체화 하고, 답을 확인할 수 있는 실험을 설계한다.
3회기 (6차시)
실험 수행과 표현
설계한 실험을 토대로 실험을 수행하고, 센서 에서 측정된 실험값을 그래프와 도표로 표현 하 여 분 석 하 고 , 얻 은 결 론 을 웹 기 반 문 서 (google.sites.co.kr)에 작성하여 공유한다.
<표 Ⅲ-2> 연역적 탐구 중심의 데이터 기반 과학탐구 수업 활동개요
3) 자료수집
설문 조사
12명의 연구 참여자 중 3회기를 불참한 한 명의 참여자를 제외하고 총 11명의 학생을 대상으로 전체 운영을 마친 후 설문을 실시하였다. 설 문은 객관식 20문항과 주관식 4문항으로 구성되어 있으며, 객관식 문항