개념 관계망의 분석을 위하여 개념관계분석 프로그램을 통해 생성된 관 계망 데이터를 Gephi 0.9.1 프로그램(Bastian, Heymann, &
Jacomy, 2009)을 이용하여 시각화하고(그림 Ⅲ-4), 관계망의 구조적 특 징을 파악하기 위하여 네트워크의 기본 정보, 중심성 지표, 그리고 군집 분석을 통한 하위 네트워크 분석 결과를 얻었다. 네트워크의 기본 정보로 는 네트워크의 노드(개념) 수, 연결의 수, 밀도(density), 지름 (diameter)을 구하였고, 개념의 중심성을 나타내는 지표로는 연결정도와 사이중심성을 구하였다. 시각화된 개념 관계망에서 결점의 크기는 개념 별 연결정도, 그리고 연결선의 굵기는 개념들이 동시에 출현한 빈도(weight) 에 비례하도록 표시하였다. 본 연구에서 개념 관계망의 분석을 위해 사용 한 분석 지수와 지수가 나타내는 의미는 다음과 같다.
▪ 개념의 수와 연결의 수
개념 관계망에 포함된 개념(노드)의 수는 해당 내용에 포함된 개념의 다양성을 나타낸다. 예를 들어 <그림 Ⅲ-5>의 개념 관계망에는 17개의 개 념이 포함되고 있다. 본 연구에서는 개념의 수가 학생들이 학습해야 할 학 습량을 나타내는 지표로 보았고, 학교급에 따른 학습량의 증가를 알아보기 위해 상급 학교에서 처음으로 다루어지는 개념의 수인 ‘신규 학습 개념 수’
의 증감을 조사하였다. 연결의 수는 관계망에 포함된 개념들 사이에 형성 된 관계의 수를 나타내며 한 관계망은 최대 개념 수 x (개념 수-1) 개의 연결을 가질 수 있다.
▪ 네트워크의 밀도
밀도(density)는 네트워크에서 노드 간의 전반적인 연결정도를 나타내 는 지표로, 연결 가능한 모든 관계에서 실제로 맺어진 관계 수의 비율로 정의된다. 따라서 개념 관계망의 밀도는 개념들 사이의 관계가 얼마나 복 잡하게 얽혀 있는지를 나타낸다. 밀도가 낮은 개념 관계망은 개념들 사이
의 관계가 복잡하지 않으므로 내용이 분산된 정도가 크다고 볼 수 있고, 반대로 밀도가 높아 촘촘한 관계망은 특정 주제에 집중된 개념들이 서로서 로 밀착되어 있다고 해석할 수 있을 것이다. 단, 밀도는 관계망에 포함된 개념의 수에 영향을 받게 되기 때문에 관계망의 밀도를 비교할 때에는 관 계망의 규모 차이로 인한 효과인지를 고려하여 그 차이를 해석할 필요가 있다.
E: 네트워크의 총 연결의 수 gk: k에서의 연결 정도
▪ 네트워크의 지름
네트워크의 지름(diameter)은 네트워크 내에 임의의 두 노드간의 최단 경로 거리 중 가장 긴 거리를 나타내는데, 일반적으로 네트워크의 밀도가 높으면 지름은 작아지는 경향이 있다.
▪ 개념의 연결정도
개념 관계망은 개념과 개념들 사이의 연결선으로 이루어진다. 이때 관 계망에서 각 개념이 몇 개의 개념과 연결되고 있는가를 나타내는 절대적인 지표가 연결정도이다. 연결정도가 높은 개념은 특정 주제를 이끄는 주요 개념으로 볼 수 있다. 각 노드의 연결정도를 0과 1사이의 값으로 표준화 한 값을 연결정도 중심성이라고 한다. 본 연구에서는 각 개념이 몇 개의 개념들과 연결되고 있는지 그 절대적인 크기를 파악하기 위하여 연결중심 성 대신 연결정도를 분석 지수로 사용하였고, 개념 관계망의 시각화에서 노드의 크기를 연결정도에 비례하도록 시각화 하였다. 그리고 평균 연결정 도는 한 네트워크에 포함된 모든 노드의 연결정도를 합한 후 이를 노드의 수로 나눈 평균값으로 한 개념이 평균적으로 몇 개의 개념과 연결되는지를 나타내는 지수이다.
▪ 개념의 사이중심성
사이중심성은 한 개념이 다른 개념들 사이의 연결을 중개하는 역할을 얼마나 수행 하는지를 나타내는 지수로, 개념 관계망에서 사이중심성이 높 은 개념은 서로 다른 개념군을 연결하는 역할이 큰 개념으로 볼 수 있다.
한 네트워크에서 특정 개념의 사이중심성은 아래와 같이 정의된다 (Freeman, 1977).
gjk: 두 노드 j와 k간에 존재하는 최단 거리의 경우의 수
gjk(i): 두 노드 j와 k(j<->k)사이에 존재하는 점i를 경유하는 횟수 g: 네트워크에 참여하는 노드 수
▪ 개념의 고유도 및 개념 간 관계의 고유도
일반적으로 사용하는 네트워크 분석의 지표와 함께 어떤 개념(또는 개 념 간 관계)이 특정 학교급에서 집중적으로 다루어지는 정도를 나타내는 지표인 고유도 지수를 아래와 같이 정의하고 이를 분석 지표로 사용하였 다.
Sk(i): k교과서에서 개념 i(또는 관계 i)의 고유도(0~1), fik: 개념 i(또는 관계 i)가 k교과서에서 나타나는 빈도,
fi : 교육과정 전체 교과서에서 개념 i(또는 관계 i)가 나타난 빈도.
▪ 개념 간 관계의 연결 가중치
연결의 가중치는 어떤 두 개념 사이의 관계가 출현한 빈도(weight,
)이다. 평균 연결 가중치는 한 개념 관계망에 포함된 모든 연결의 가 중치를 더한 값을 연결의 수로 나눈 평균값이다. 평균 연결 가중치 해당 관계망을 구성하는 관계들이 반복되는 정도, 즉 강조되는 정도를 나타낸 다.
▪ 관계의 근접도
근접도(proximity)는 두 개념 A와 B가 이루는 관계( )에서 각각의 개념을 중심으로 상대적으로 계산된다. 이는 한 개념이 상대 개념과 함께 의미를 형성하는 정도가 높을수록 개념 간의 인지적 거리가 가깝다고 보고 이를 지수화 한 것이다. 이 지수는 인지구조 내에서 한 개념 A가 다른 개 념 B에 대한 연상을 촉발하게 될 확률이라고 볼 수 있다. 의 관계에서 A개념을 중심으로 한 근접도를 아래와 같이 정의하고 분석 지수로 사용하 였다. 근접도는 0부터 1사이의 값을 가지게 되는데, 가 1에 가까울수 록 개념 A가 상대 개념 B와 함께 쓰이는 정도가 높다는 것을 의미한다.
,
fa: 개념 a의 빈도, fb : 개념 b의 빈도, fab: 개념 ab를 포함하는 명제의 빈도
5) 연구 내용에 따른 관계망 생성 및 분석 방법
본 연구에서 설정한 연구 내용에 대한 주요 분석 방법은 다음과 같다.
첫째, 교과서의 생물학 지식을 구성하는 핵심 주제와 개념의 체계를 분 석하기 위하여 전체 교과서 내용의 주요 개념 관계망에 대한 군집 분석을 수행하였고, 문헌 조사를 통해 이론적으로 설정한 핵심 주제가 교과서에서 어떻게 나타나고 있는지를 분석하였다. 관계망의 군집분석에는 네트워크의 군집을 분석하는 다양한 알고리즘 중 Gephi 0.9.1 프로그램(Bastian, Heymann, & Jacomy, 2009)이 제공하는 Blondel et al.(2008)의 알고리즘을 사용하였다.
둘째, 학교급별 교과서의 개념체계 및 연계성 분석을 위하여 학교급별 교과서 내용의 주요 개념 관계망에 대한 군집 분석을 통해 학교급별 교과 서에 포함된 핵심 주제와 그 내용들 사이의 수평적 연계성을 분석하였다.
셋째, 생물학의 핵심 주제별로 그 내용의 수직적 연계성이 학교급에 따 라 어떻게 나타나는지 알아보기 위하여 학교급별 교과서에서 각 핵심 주제
와 관련된 단원의 내용만을 대상으로 개념 관계망 분석을 수행하였다.
세 번째 연구 내용인 핵심 주제별 수직적 연계성 분석을 위해 교과서의 내용을 중·소단원 수준까지 확인하고 핵심 주제에 따라 범주화하여 코딩하 였고, 각 주제에 대한 내용을 학교급별로 추출하여 개념 관계망을 생성하 고 분석하였다. 범주화에 사용한 핵심 주제는 본 연구의 첫 번째 연구 내 용을 통해 확인된 것으로 생명 현상의 여섯 가지 특성인 유기적 구성, 물 질대사, 항상성, 유전의 연속성, 진화와 다양성, 상호작용에 대한 주제와 최근 우리 교육과정에서 강조되고 있는 과학 탐구와 과학이 본성에 대한 주제, 생명공학 및 STS와 관련한 주제였다. 이 주제들이 교과서의 생물학 지식을 구성하는 핵심 주제로 보고 이 주제들에 따라 교과서의 내용을 나 누어 분석하였다. 각 핵심 주제가 나타내는 생물학 내용은 다음과 같다.
(1) 생명의 유기적 구성
생명 현상은 고도로 체계화된 복잡계로 볼 수 있는데 생물은 이러한 생 명의 시스템을 유지하기 위하여 일련의 체계를 가지고 위계적으로 조직된 유기적 구성체이다. 생명체의 이와 같은 특성을 ‘유기적 구성’이라고 한다.
(2) 물질대사
생물이 생명활동을 유지하기 위해서는 많은 물질과 에너지가 필요하다.
이때 생물체 내에서 생명을 유지하기 위해 일어나는 모든 화학 반응을 물 질대사라고 한다.
(3) 생명의 항상성
생명의 중요한 특징은 환경의 변화를 감지하고 이에 대응하는 능력을 통해 스스로를 구성하고 있는 세포를 항상 살아있는 상태로 유지한다는 것 이다. 생명의 이러한 특성을 ‘항상성’이라고 한다.
(4) 생명의 연속성
모든 생명체는 생식을 통해 자신과 닮은 개체를 만들고, 다음 세대로 유전 정보를 전달한다. 생명의 이러한 특성을 ‘연속성’이라고 한다.
(5) 진화와 생명의 다양성
현재 지구상에는 우리가 알고 있는 종만도 일백만 종에 달할 만큼 매우 다양한 생물들이 살아가고 있다. 이러한 다양한 생물이 나타내는 다양한 특성들은 생물학의 주된 연구 내용 중에 하나이다. 현대 생물학에서는 생 명이 보여주는 이러한 다양성이 진화에 의한 것으로 설명한다. 진화는 생 물 집단이 여러 세대를 거치면서 변화를 축적해 집단 전체의 특성을 변화 시키고 나아가 새로운 종의 분화가 일어나는 현상을 가리키는 것으로 다양 한 생명 현상에서 나타나는 단일성과 다양성을 설명해주는 핵심 원리이다.
(6) 상호 작용
생물은 개체, 집단에 관계없이 무생물적 환경 요인의 영향 아래에서 살 아가고, 또 그 작용에 대해 반작용함으로써 환경을 변화시키기도 한다. 생 물이 나타내는 생명 활동은 이러한 무생물적 환경과의 작용-반작용, 그리 고 생물 상호간의 작용으로 인해 복합적이고 상호 의존적인 특성을 나타내 게 된다. 생명의 이러한 특성을 ‘상호 작용’이라고 한다.
(7) 생명공학 기술
생명 현상의 6가지 특성과 관련된 주제와 함께 우리 교육과정에서 생명 과학의 핵심 주제로 설정되고 있는 내용이 생명 공학의 기술과 활용에 대 한 내용이다. 생명 공학 관련 내용은 그 내용이 과학-기술-사회적(STS) 소양과 밀접한 연관성을 지니기 때문에 그 중요성이 강조되고 있다. 따라 서 생명 공학 기술, 첨단 생명 과학이 인간의 생활에 미치는 영향을 다루 는 내용들은 생물 교과의 내용을 구성하는 핵심 주제로 볼 수 있다.
(8) 과학 탐구과정
최근의 과학교육에서는 현재의 과학 지식 자체 보다는 그 지식이 과학 자의 활동을 통해 구성되는 과정, 즉 과학 지식의 생성과 문제 해결의 과 정인 탐구 과정을 학생들이 습득하도록 하는 것을 중요한 교육의 목표가 되고 있다. 따라서 과학의 본성과 과학 탐구과정에 대한 내용도 생물 교과 를 통해 학습해야 할 핵심 주제로 설정하였다.