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과학 학습에서 학생들의 개념변화 과정 연구: 심리학적, 과학사적 관점에서의 특징 및 효과적인 활용 방안
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사업명 협동연구지원 [지원년도 신청 요강 보기 지원년도 신청요강 한글파일 지원년도 신청요강 PDF파일 ]
연구과제번호 2005-042-B00212
선정년도 2005 년
연구기간 1 년 (2005년 12월 01일 ~ 2006년 11월 30일)
연구책임자 강석진
연구수행기관 전주교육대학교
과제진행현황 종료
공동연구원 현황 노태희(서울대학교)
차정호(대구대학교)
과제신청시 연구개요
  • 연구목표
  • 학생들은 과학 수업 이전에 이미 독특한 선개념을 지니고 있으며, 흔히 과학적 개념과 다른 이 선개념은 전통적인 수업으로는 쉽게 바뀌지 않을 만큼 지속성을 지닌다. 따라서 ‘어떻게 학생들의 선개념을 과학적 개념으로 변화시킬 수 있는가’는 여전히 과학교육이 풀어야 할 중요한 과제이다. 학생의 기존 개념으로 설명되지 않는 변칙사례는 인지갈등을 유발할 뿐만 아니라 새로운 사고를 시작하는 계기를 제공하여 창의적 사고력을 향상시킬 수 있다고 한다. 그러나 일반적인 믿음과 달리 아직은 인지갈등 전략의 효과가 불분명하고, 개념변화 과정의 구체적인 메커니즘이 정확하게 알려지지 않았다. 따라서 변칙사례나 인지갈등의 역할에 대한 심층적인 고찰을 통해 개념변화 과정의 메커니즘을 밝히기 위한 노력이 필요하다. 본 연구는 심리학적 관점과 과학사적 관점에서 학생들의 개념변화 과정에 대해 포괄적이고 심층적으로 이해하는 것을 목표로 한다. 이를 위해, 질적 접근(Part I)과 양적 접근(Part II)을 병행할 것이다. 또한, 학생들의 개념변화 과정에 대한 이해를 바탕으로 개념변화 과정을 효과적으로 촉진시키기 위한 조건 및 방안을 모색(Part III)할 것이다.
  • 기대효과
  • (1) 이제까지 빈번하게 사용되어 왔음에도 불구하고 상대적으로 명확하지 않았던 변칙사례, 인지갈등, 개념변화의 관계를 규명함으로써, 선행 연구들에서 변칙사례를 제시했으나 학생들의 인지갈등이 유발되지 않았거나 개념변화가 일어나지 않았던 원인을 설명할 수 있는 기초를 제시해 줄 수 있다.
    (2) 본 연구의 결과는 현장 교사들이 효과적으로 개념변화 전략을 활용하고 과학 교과서나 교수-학습 자료를 개발하는 방향에 대한 구체적인 지침을 제시해 줄 수 있다.
    (3) 본 연구에서 제시한 효과적인 개념변화 전략에 대한 정보 및 자료는 창의적 문제 해결력을 신장시키는 과학 학습 프로그램, 예를 들어 과학영재 교육에 효과적으로 적용하는 방법에 대한 시사점을 제시해 줄 수 있다.
    (4) 학생들의 인지적/정의적 특성과 변칙사례에 대한 인지적/정의적 반응, 그리고 개념변화 사이의 관계를 탐색하는 본 연구의 결과는 실제 교육 현장에서 교사들이 개념변화 수업을 실시할 때 학생들의 특성을 어떻게 고려해야 하는가에 대한 지침을 제시함으로써 과학교사 및 예비교사의 전문성을 함양할 수 있다.
    (5) 본 연구의 결과 및 자료를 연구진에서 운영 중인 서버에 탑재하고 커뮤니티 기능을 적극적으로 활용한다면, 예비 과학교사, 교사, 초ㆍ중등 학생들이 교수․학습에 활용하도록 유도할 수 있다.
  • 연구요약
  • 본 연구는 심리학적 관점과 과학사적 관점에서 학생들의 개념변화 과정에 대해 포괄적이고 심층적으로 이해하기 위해, 개념변화 과정에서 변칙사례와 인지갈등의 역할에 대한 질적 연구(Part I)와 변칙사례(인지갈등)를 이용한 개념변화 과정의 경로 모형 탐색(Part II)을 진행할 것이다. 또한, 학생들의 개념변화 과정에 대한 이해를 바탕으로 개념변화 과정을 효과적으로 촉진시키기 위한 조건 및 방안을 모색(Part III)할 것이다. 각 연구의 구체적인 목표는 다음과 같다.
    연구 1. 질적 연구로 변칙사례에 대한 학생들의 인지적 반응을 심층적으로 조사한다.
    연구 2. 변칙사례에 대한 과학사에 나타난 과학자들의 반응 유형과 학생들의 반응 유형을 비교한다.
    연구 3. 개념 변화에 영향을 미치는 변인들(변칙사례에 의한 인지갈등 및 비인지적 변인)의 경로 모형을 규명한다.
    연구 4. 학생들의 인지적/정의적 특성이 개념변화 과정에 미치는 영향을 조사한다.
    연구 5. 변칙사례의 제시 방법 및 신뢰성이 개념변화 과정에 미치는 영향을 조사한다.
  • 한글키워드
  • 구조방정식 모형,과학사,인지갈등,과학교육,개념변화,변칙사례,심리학,사례 면담
  • 영문키워드
  • interview,structural equation modeling,history of science,conceptual change,science education,discrepant event,cognitive conflict,psychology
결과보고시 연구요약문
  • 국문
  • 본 연구에서는 변칙사례를 이용한 개념 학습에서 학생들의 개념변화 과정을 심리학적 관점과 과학사적 관점에서 조사하였다. <br>
    Part Ⅰ에서는 변칙사례에 의한 인지적 반응 유형에 따른 정의적 반응 및 학생들이 제시하는 효과적인 개념변화 교수-학습 전략을 조사하는 면담을 실시하였다. 연구 결과, 변칙사례의 신뢰성과 타당성을 강조할 경우 인지갈등이 더 잘 유발되는 것으로 나타났다. 흥미와 불안과 같은 정의적 반응이 나타나는 양상은 인지적 반응 유형 및 대안가설의 제시 유무와 명확성에 따라 달랐으며, 정의적 반응이 개념학습 과정에 긍정적인 영향을 준다고 생각하는 학생들이 많았다. <br>
    또한, 학생들의 개념 변화 과정에서 필요한 조건을 탐색하기 위해 과학 이론 변화 과정에서 역사적으로 나타난 과학자들의 사고 유형 과정을 비교하였다. 연구 결과, 과학자들은 변칙 사례의 문제점을 밝히고자 노력하는 경향이 있었지만, 학생들은 자신들의 초기 이론에 대한 신념을 고수하기 위해 변칙 사례를 거부하거나 배제하는 경향이 있었다. 또한, 대안 가설을 접한 후에 자신의 신념을 바꾸는 학생은 일부에 불과했다. <br>
    Part II에서는 변칙사례에 의해 유발될 수 있는 상황 흥미가 개념변화 과정에 어떤 영향을 미치는지에 대해 경로모형을 통해 알아보았다. 변칙사례에 의해 유발된 인지갈등이 상황 흥미를 유발하고 이것이 개념학습 과정에서의 학생들의 주의집중과 노력에 영향을 미쳐 개념변화를 일으키는 것으로 나타났다. 변칙사례에 의해 처음으로 유발되는 것은 새로움이며, 새로움은 직접적으로 또는 주의집중 요구, 탐구 의도, 순간적 즐거움을 경유하여 상황 흥미를 불러일으키는 것으로 나타났다. 새로움은 도전에 직접적인 영향을 주고, 도전은 직접적으로 또는 인지갈등을 통해 순간적 즐거움에 부정적인 영향을 줌으로써 전체 흥미를 감소시키기도 하였다. 그러나 이 경로의 계수는 전자의 경로의 계수보다 상대적으로 작았다. <br>
    Part Ⅲ에서는 변칙사례를 이용한 인지갈등 전략이 개념 학습을 촉진시키기 위한 조건을 알아보기 위해 학생들의 정의적 특성인 인식론적 신념이 개념변화 과정에 미치는 영향을 인지갈등, 상황흥미, 주의집중, 상태 학습전략을 고려하여 조사했다. 인식론적 신념의 요소인 고정된 능력, 빠른 학습, 확실한 지식들 사이에는 밀접한 관련성이 있었으나, 확실한 지식만이 개념이해에 직접적으로 부정적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 영향력보다 상대적으로 영향력은 작았지만, 확실한 지식은 직접적으로 또는 상황흥미를 매개로 주의집중에 영향을 줌으로써 개념이해에 긍정적인 영향을 미치기도 했다. 그러나 인식론적 신념이 인지갈등과 상태 학습전략을 통해 개념이해에 미치는 영향은 매우 작았다. <br>
    또한, 변칙사례를 이용한 인지갈등 전략이 개념 학습을 촉진시키기 위한 다른 조건으로 변칙 사례의 특성이 개념 변화 과정에 미치는 영향을 인지적, 정의적, 동기적 측면을 고려하여 조사했다. 연구 결과, 변칙 사례를 동영상 형태로 제시했을 때가 읽기 자료 형태로 제시했을 때보다 변칙 사례에 의해 유발된 인지 갈등 점수가 유의미하게 높았다. 변칙 사례에 의해 유발된 인지 갈등은 주의집중을 경유하여 개념 이해도를 증진시키고, 변칙 사례에 의해 유발된 상황 흥미 또한 주의집중을 매개로 개념 이해도를 증진시키는 것으로 나타났다.
  • 영문
  • In these studies, we investigated the conceptual change processes of students in concept learning with discrepant events from the viewpoints of the psychology and history of science. <br>
    In Part I, we interviewed to explore students' emotional responses and perceived teaching-learning strategies for effective conceptual change by the types of cognitive responses to a discrepant event. The results revealed that cognitive conflict was more induced by a discrepant event when its reliability and validity were emphasized. The students’ cognitive responses to a discrepant event, the existence of alternative hypotheses, and their clearness influenced the patterns of emotional responses such as interest and anxiety. Many students perceived that emotional responses had positive influences on concept learning processes. <br>
    In addition, we investigated students' responses to a discrepant event and an alternative hypothesis which had been presented in the conceptual change processes from the phlogiston theory to the oxygen theory, and compared them with scientists' responses. Analyses of the results revealed that scientists tended to focus on explaining the problems of the discrepant event, whereas students tended to ignore and/or exclude the discrepant event in order to maintain their previous beliefs. Only a few students were also found to change their beliefs after having been presented with the alternative hypothesis. <br>
    In Part Ⅱ, we examined the influences of cognitive conflict and non-cognitive variables induced by a discrepant event on conceptual change processes, and the processes that a discrepant event led to situational interest. A path analysis revealed that cognitive conflict induced by a discrepant event caused situational interest, which in turn increased attention and/or effort and thus resulted in conceptual change. The results of the path analysis on the processes which a discrepant event led to situational interest suggested that novelty may be a primary source of situational interest. Novelty influenced situational interest directly as well as through attention demand, exploration intention, and instant enjoyment. Moreover, novelty exerted a direct effect on challenge, which in turn had negative effects on instant enjoyment directly as well as through cognitive conflict, and thus decreased situational interest. However, the path coefficients of the latter were relatively smaller than those of the former. <br>
    In Part Ⅲ, we investigated the influences of the epistemological beliefs on the conceptual change processes in respects of cognitive conflict, situational interest, attention and state learning strategies. Analyses of the results revealed that fixed ability, quick learning and certain knowledge, which are epistemological factors, were highly related, but only certain knowledge exerted a direct effect on conceptual understanding negatively. It also had positive effects on attention directly as well as via situational interest, and thus increased conceptual understanding, even if the effects were relatively smaller than the direct effect. However, epistemological beliefs had little influence on conceptual understanding through cognitive conflict and/or state learning strategies. <br>
    In addition, the influences of the presentation types of anomalous data on the processes of conceptual change were investigated in respect of students' cognitive, affective, and motivational variables. The results indicated that movie-type anomalous data induced significantly more cognitive conflict than text-type ones. Cognitive conflict induced by anomalous data increased students' conceptual understanding through their attention to learning. Situational interest stimulated by anomalous data also promoted conceptual understanding through attention to learning.
연구결과보고서
  • 초록
  • 본 연구에서는 변칙사례를 이용한 개념 학습에서 학생들의 개념변화 과정을 심리학적 관점과 과학사적 관점에서 조사하였다. <br>
    Part Ⅰ에서는 변칙사례에 의한 인지적 반응 유형에 따른 정의적 반응 및 학생들이 제시하는 효과적인 개념변화 교수-학습 전략을 조사하는 면담을 실시하였다. 연구 결과, 변칙사례의 신뢰성과 타당성을 강조할 경우 인지갈등이 더 잘 유발되는 것으로 나타났다. 흥미와 불안과 같은 정의적 반응이 나타나는 양상은 인지적 반응 유형 및 대안가설의 제시 유무와 명확성에 따라 달랐으며, 정의적 반응이 개념학습 과정에 긍정적인 영향을 준다고 생각하는 학생들이 많았다. <br>
    또한, 학생들의 개념 변화 과정에서 필요한 조건을 탐색하기 위해 과학 이론 변화 과정에서 역사적으로 나타난 과학자들의 사고 유형 과정을 비교하였다. 연구 결과, 과학자들은 변칙 사례의 문제점을 밝히고자 노력하는 경향이 있었지만, 학생들은 자신들의 초기 이론에 대한 신념을 고수하기 위해 변칙 사례를 거부하거나 배제하는 경향이 있었다. 또한, 대안 가설을 접한 후에 자신의 신념을 바꾸는 학생은 일부에 불과했다. <br>
    Part II에서는 변칙사례에 의해 유발될 수 있는 상황 흥미가 개념변화 과정에 어떤 영향을 미치는지에 대해 경로모형을 통해 알아보았다. 변칙사례에 의해 유발된 인지갈등이 상황 흥미를 유발하고 이것이 개념학습 과정에서의 학생들의 주의집중과 노력에 영향을 미쳐 개념변화를 일으키는 것으로 나타났다. 변칙사례에 의해 처음으로 유발되는 것은 새로움이며, 새로움은 직접적으로 또는 주의집중 요구, 탐구 의도, 순간적 즐거움을 경유하여 상황 흥미를 불러일으키는 것으로 나타났다. 새로움은 도전에 직접적인 영향을 주고, 도전은 직접적으로 또는 인지갈등을 통해 순간적 즐거움에 부정적인 영향을 줌으로써 전체 흥미를 감소시키기도 하였다. 그러나 이 경로의 계수는 전자의 경로의 계수보다 상대적으로 작았다. <br>
    Part Ⅲ에서는 변칙사례를 이용한 인지갈등 전략이 개념 학습을 촉진시키기 위한 조건을 알아보기 위해 학생들의 정의적 특성인 인식론적 신념이 개념변화 과정에 미치는 영향을 인지갈등, 상황흥미, 주의집중, 상태 학습전략을 고려하여 조사했다. 인식론적 신념의 요소인 고정된 능력, 빠른 학습, 확실한 지식들 사이에는 밀접한 관련성이 있었으나, 확실한 지식만이 개념이해에 직접적으로 부정적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 영향력보다 상대적으로 영향력은 작았지만, 확실한 지식은 직접적으로 또는 상황흥미를 매개로 주의집중에 영향을 줌으로써 개념이해에 긍정적인 영향을 미치기도 했다. 그러나 인식론적 신념이 인지갈등과 상태 학습전략을 통해 개념이해에 미치는 영향은 매우 작았다. <br>
    또한, 변칙사례를 이용한 인지갈등 전략이 개념 학습을 촉진시키기 위한 다른 조건으로 변칙 사례의 특성이 개념 변화 과정에 미치는 영향을 인지적, 정의적, 동기적 측면을 고려하여 조사했다. 연구 결과, 변칙 사례를 동영상 형태로 제시했을 때가 읽기 자료 형태로 제시했을 때보다 변칙 사례에 의해 유발된 인지 갈등 점수가 유의미하게 높았다. 변칙 사례에 의해 유발된 인지 갈등은 주의집중을 경유하여 개념 이해도를 증진시키고, 변칙 사례에 의해 유발된 상황 흥미 또한 주의집중을 매개로 개념 이해도를 증진시키는 것으로 나타났다.
  • 연구결과 및 활용방안
  • 1. 본 연구의 결과를 통해 암묵적으로 가정되어 왔던 변칙사례, 인지갈등, 개념변화의 관계를 보다 통합적이고 심층적으로 밝힐 수 있었다. 즉, 본 연구를 통해 이제까지 빈번하게 사용되어 왔음에도 불구하고 상대적으로 명확하지 않았던 변칙사례, 인지갈등, 개념변화의 관계를 규명함으로써, 선행 연구들에서 변칙사례를 제시했으나 학생들의 인지갈등이 유발되지 않았거나 개념변화가 일어나지 않았던 원인을 설명할 수 있는 기초를 제시해 줄 수 있다. <br>
    2. 효과적인 개념변화 학습을 위한 구체적인 수업 전략 및 향후 교수-학습 자료의 개발 방향을 제시할 수 있다. 지금까지 학생들의 개념변화 과정의 구체적인 경로에 대해서는 잘 알려져 있지 않았으므로, 현장 교사들이 개념변화를 효과적으로 촉진시키기 위해 활용할 수 있는 수업 전략이나 교수-학습 자료가 구체적으로 제시되지 못하고 있다. 따라서 본 연구의 결과는 현장 교사들이 효과적으로 개념변화 전략을 활용하고 과학 교과서나 교수-학습 자료를 개발하는 방향에 대한 구체적인 지침을 제시해 줄 수 있다.<br>
    3. 본 연구를 통해 개념변화를 효과적으로 촉진시키기 위한 수업 전략이나 교수-학습 자료를 예비 과학교사 및 과학교사에게 제공함으로써 그들의 전문성을 함양시키려고 한다. 예를 들어 학생들의 인지적/정의적 특성과 변칙사례에 대한 인지적/정의적 반응, 그리고 개념변화 사이의 관계를 탐색하는 본 연구의 결과는 실제 교육 현장에서 교사들이 개념변화 수업을 실시할 때 학생들의 특성을 어떻게 고려해야 하는가에 대한 지침을 제시해 줄 수 있다. <br>
    4. 본 연구의 결과 및 자료를 연구진에서 운영 중인 포털 사이트에 탑재하고 커뮤니티 기능을 적극적으로 활용함으로써, 예비 과학교사, 교사, 초ㆍ중등 학생들이 교수ㆍ학습에 활용하도록 유도하려고 한다.
  • 색인어
  • 인지 갈등, 변칙 사례, 개념 변화, 대안 가설, 상황 흥미, 주의집중, 노력, 인식론적 신념, 상태 학습전략, 플로지스톤설
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