II. 이론적 배경
4. 프로젝트 기반 학습과 ALDH 2 단일 염기 다형성
4.1 프로젝트 기반 학습(Project-Based Learning)
19세기 후반 존 듀이에 의해 경험 학습, 실천 학습이 강조된 이후 오 늘날까지, 학생들의 문제 해결 능력 습득을 위해 학습에 주도적으로 참 여하는 것을 강조하고 있다. 특히, 현대 과학기술 사회에서 개인이 당면 한 문제를 능동적으로 해결하고 의사결정에 필요한 지식 습득을 위해 학 생들이 실생활과 관련된 학습 주제로 심도 있게 탐구해가는 체계적 학습 활동이 필요하며, 이러한 맥락에 있는 것이 프로젝트 기반 학습이다.
Katz와 Chard(1989)는 프로젝트 기반 학습에 대하여 혼자서 혹은 여 럿이서 특정 주제를 심도 있게 탐구하는 것이라고 정의한 바 있으며, Thomas, Mergendoller, Michaelson(1999)은 프로젝트 기반 학습의 5가 지 특징을 교육과정 중심, 질문의 중요성, 최종 산물 산출, 학습자 중심, 실생활 문제 해결이라고 설명한 바 있다. 미국 교수 학습 연구 개발 기 관인 BIE(Buck Institute of Education)는 교육과정 중심 프로젝트 기반 학습 모델(Standards-focused Problem Based Learning)을 제안하였으며 (노선숙, 김민경, 임해미 역, 2006), 최근 <표 Ⅱ-5>와 같이 프로젝트 기 반 학습 모델에 있어서 8가지 필수 설계 요소를 제안한 바 있다(Larmer
& Mergendoller, 2015). 즉, 프로젝트 기반 학습은 교육과정과 연계되어 있는 실생활의 문제를 해결하기 위해 필요한 지식과 기술을 학습하고 학 습자들이 능동적으로 다양한 활동을 통하여 공동 산출물을 만들어내는 것이라고 하였다
과학 교과에서 프로젝트 기반 학습이 효과적으로 이루어지려면 다른 교과와 뚜렷이 구별되는 과학 탐구를 고려해야 한다. Krajcik 등(1998)은 프로젝트 기반 학습을 통해 질문하기, 탐구 및 과정 설계, 탐구 기구 구 축 및 탐구 수행, 데이터 분석 및 결론 도출, 발표하기 등 과학 탐구 활 동이 이루어진다고 하고, 프로젝트 기반 학습 수행 후 학생들이 수행한 탐구 과정에 대하여 <표 Ⅱ-6>과 같은 면담 문항으로 분석한 바 있다.
<표 Ⅱ-5> BIE(2015) 프로젝트 기반 학습 모델의 8가지 핵심 요소
8가지 핵심 요소 구성 내용
핵심 지식과 이해, 성공 기술 Key Knowledge, Understanding,
and Success Skills
교육과정에 근거한 핵심 지식과 이해(내용), 핵심 기술(사고, 문제 해결, 협력, 자기 조절)
문제나 질문에 대한 도전 Challenging Problem or Question
학습자 수준에서 수행 가능한 것으로 해결해 야 할 문제나 답에 대한 의미 있는 질문. 질 문을 야기할 수 있고 확장 가능한 질문이어 야 함
지속적 탐구 Sustained Inquiry
학생들에 의한 질문 발생, 자료 활용, 심화 질문 발생, 해답 발견 등 오랜 기간 능동적 이고 심화된 과정 수행
Authenticity실제성
실생활 관련 내용으로 실생활에서 사용되는 방법, 도구, 기준을 사용하여 실제 상황을 만들거나 학생들의 관심과 흥미가 유발되어 야 함
학생의 능동적 참여 및 선택 Student Voice & Choice
교사의 안내와 학습자 수준을 고려하여 학생 들이 스스로 산출물을 만들고, 활동을 수행 하고, 시간을 조절해야 함
Reflection반성
학습한 내용이 무엇이며 어떠했는지와 프로 젝트의 계획과 의미에 대해 반성할 수 있는 기회 제공
비평과 변경 Critique and Revision
아이디어와 산출물의 수정 및 더 나은 탐구 수행을 위해 수행한 작업에 대한 피드백 기 회 제공
공동 산물 Public Product
교실 외의 사람들에게 제시하거나 프레젠테 이션 하기 위해 제작한 산출물을 통해 학습 한 내용 제시
<표 Ⅱ-6> Krajcik 등(1998) 프로젝트 탐구 과정 분석 면담 문항표
탐구 과정 문항
질문하기 Asking questions
•질문의 특성은 무엇인가? 기술적인가? 실험적인가?
•과학적 가치가 있는가?
•배경 지식에 기반 하여 수집하고 도출할 수 있는 것인가? 대 체 가능한 것인가? 예상이 되는 것인가?
탐구 설계 및 과정 설계
Designing investigation and
planning procedures
•고안한 설계 유형은 기술적인가? 실험적인가?
•변인의 수와 수준에 있어서 설계는 얼마나 복잡한가?
•고안한 측정 방법은 질문에 답할 수 있는 것인가?
•구체적으로 알고 있는가?
•얼마나 자주 측정할 것인가?
기구 구축 및 탐구 수행 Constructing apparatus and
carrying out investigations
•과정을 수행할 수 있는가?
•전체적이고 체계적으로 자세하게 데이터를 수집할 수 있는가?
데이터 분석 및 결론 도출 Analyzing data
and drawing conclusions
•표, 그래프 등으로 데이터를 표현할 수 있는가?
•결론을 내기 위해 사용한 데이터는 무엇이며 어떻게 사용하 였는가?
•데이터를 정확하게 분석했는가?
•결론을 자세하게 서술하는가?
발표하기 Presenting findings
•결론을 어떻게 표현하는가?
•결론을 내기 위해 데이터를 사용하는가?
•발견한 내용을 실생활 또는 주변 생활 관련 배경 지식을 사 용하여 결론을 질문과 연관 지을 수 있는가?
•다른 질문을 만들어낼 수 있는가?
또한, Stripling(2003)은 탐구 기반 학습(Inquiry-Based Learning)과 프 로젝트 기반 학습과의 관련성을 설명하며 학생들은 프로젝트 기반 학습 을 통하여 탐구의 본성을 경험할 수 있다고 하였다(표 Ⅱ-7).
<표 Ⅱ-7> Stripling(2003) 프로젝트 기반 학습에서의 탐구 과정 탐구 기반 학습 단계별 탐구 과정 프로젝트 기반 학습 탐구 과정 연결
Connect
학생의 선지식과 연계,
배경 지식, 내용 습득 교육과정 연계 실생활과 관련된 주제 의문
Wonder
질문 발생,
예상과 가설 생성 질문 유발
확장 가능한 추가 질문 생성
탐색 Investigate
가설 검증에 필요한 정보 탐 색 및 평가, 질문과 가설에 대한 정보 구상
학생의 능동적 참여․선택 자기주도적 활동
자료 수집․분석, 다양한 활동 심화 질문 발생
해답 발견, 시간 조절 구조화
Construct
선지식과 새로운 지식의 구조 화, 질문과 가설에 대한 결론 도출
최종 산출물 제작
표현 Express
학습 내용을 새로운 내용, 상 황에 적용, 타인과 내용 공유 를 위한 생각 표현
역할극, 발표 등 타인과 공유
반성 Reflect
학습 내용 반성,
새로운 질문 생성 학습한 내용 확인
더 나은 탐구를 위한 피드백 기회
프로젝트 기반 학습의 구성 요소를 분석해 보면, 분자생물학자들이 장 기간 수행하는 연구 활동과 유사한 내용을 포함한다. 이러한 점에서 일 반계 고등학생들이 분자생물학 분야의 전공 분야 기초 소양 학습을 위해 프로젝트 기반 학습 모형이 적절하게 활용될 수 있다. 하지만 일반계 고 등학생들은 분자생물학 실험 경험이 적어 실험 기기 및 기법, 실험 과정 에 대하여 익숙하지 않으므로, 분자생물학 분야 탐구 경험 학습을 위해 탐구 기반 학습 모형을 활용할 수 있다. 프로젝트 기반 학습과 탐구 기 반 학습 모형을 적절히 활용하면 일반계 고등학생들의 분자생물학 탐구 실험 학습이 효과적으로 이루어질 수 있을 것이다.
4.2 ALDH 2 단일 염기 다형성
단일 염기 다형성(Single Nucleotide Polymorphism, SNP)은 DNA 복 제 실수나 자외선 등에 의해 일어난 DNA 손상 등이 원인이 되어, 단 한 개의 염기가 다른 염기로 치환되었으나 생명에는 치명적이지 않아 오 랜 세월 동안 누적되는 현상이다. 인간 유전체에서 SNP는 평균 1천 염 기당 1개꼴로 나타난다. SNP에 의해 개인에 따라 다른 양상을 보이는 형질은 ABO식 혈액형, 숙취, 피부색, 약물 민감도 등 생명에 지장을 주 지 않는 것부터 치명적인 영향을 주는 낫모양 적혈구 빈혈증 등이 있다.
SNP를 확인하는 SNP 분석 기법은 친자 확인이나 범죄수사학 등에 활용하는 DNA 지문 분석, 개인별 유전체 분석을 통한 맞춤 의학 등에 활용할 수 있다. DNA 지문 분석은 비암호화 부위에 존재하는 SNP 부 분을 DNA 마커로 지정하고, DNA 마커를 인식하는 제한 효소로 절단한 후 젤 전기영동을 하였을 때 나타난 DNA 밴드의 양상으로 개인을 식별 할 수 있는 실험 기법이다. 이 때 나타난 DNA 조각 다형성을 제한 효 소 절편 다형성(Restriction Fragment Length Polymorphism)이라고 한 다. 개인별 SNP를 확인하는 실험 과정은 구강 상피 조직, 모근, 혈액 등 에서 DNA 시료를 추출한 후, SNP를 포함한 일부 DNA를 중합효소 연 쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)으로 대량 증폭한다. PCR로 증 폭한 DNA 시료에 SNP를 인식하는 제한 효소를 처리한 후에 젤 전기영 동으로 DNA 밴드를 확인하는 과정을 거친다.
SNP 확인 실험을 고등학교 분자생물학 학습에 활용할 수 있다. 학생 들은 일련의 연속적인 SNP 확인 실험 과정을 수행하는 동안, 과학자들 이 자신의 연구 과제를 해결하기 위해 다양한 실험 기법으로 밝혀나가는 연구 과정을 경험할 수 있어 분자생물학 분야의 과학 탐구가 이루어질 수 있다. 또한, 실험을 수행하는 과정에서 교과서에서 학습한 DNA 관련 개념과 실험 기법을 학습할 수 있다. 하지만, SNP 중에는 유전적 질환 이나 발암 유전자인 것들이 있어 학생들에게 학습에 대한 거부감과 두려 움을 줄 수 있으므로 친숙한 학습 주제를 선정하는 것이 바람직하다.
<그림 Ⅱ-1> 알코올 체내 대사 과정
ADH : Alcohol Dehydrogenase 알코올 탈수소효소
ALDH : Aldehyde Dehydrogenase 아세트알데하이드 탈수소효소
아세트알데하이드 탈수소효소(Aldehyde Dehydrogenase,
ALDH
)는ALDH
1과ALDH
2의 두 가지 이형단백질(isoform)을 가진다. 이 중 미 토콘드리아에서 작용하는ALDH
2에 대하여 한국인을 포함한 동양인에 게서 다형성을 나타낸다(김성곤 등, 2005; 신상문, 2007; 정인원, 김 헌, 홍주봉, 지경환, 이규영, 2002; Guo, et al., 2008; Xu et al., 2007).ALDH
는 알코올의 중간 대사산물인 아세트알데하이드를 아세트산으로 분해하는 탈수소 효소이다<그림 Ⅱ-1>. 아세트알데하이드는 간 세포막 을 손상시켜 알코올성 간질환의 원인이 되며, 체내ALDH
의 기능이 떨 어진 사람은 숙취에 시달리게 된다.ALDH
2는 517개의 아미노산으로 구성되어 있는데, 그 중 504번 째 아 미노산인 글루탐산을 지정하는 코돈 GAA의 첫 번째 염기인 G(구아닌) 가 점돌연변이에 의해 A(아데닌)로 치환되면 리신으로 번역되어 효소의 활성을 잃게 된다. 우리나라 알코올 중독 환자 대상 연구에 의하면(Lee et al., 2001),ALDH
2의 정상인 유전자를 A, 이상인 유전자를 a라고 하 였을 때, 치환된 유전자의 동형접합(aa)의 경우 숙취 현상이 잘 해소되 지 않아 생활 속에서 음주를 하지 않아야 하며 한국인의 약 8.6%가 이 에 해당된다고 한다. 대립 유전자 중 하나만 치환된 이형접합(Aa)의 경 우, 음주는 가능하나 숙취 해소가 쉽지 않으며 한국인의 약 43%가 해당 된다. 두 유전자 모두 정상인 AA인 경우 음주 후 숙취 해소가 쉬워 술 을 잘 마시게 되며, 한국인의 약 48.4% 정도가 이에 해당된다고 한다.AA의 경우 알코올 중독 환자에게서 많이 나타나는데, 이는