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1 Journal of the Korean Association for Science Education, 34(3), 197~206, 2014 Journal of the Korean Association for Science Education Journal homepage: 중학교 1 학년상태변화실험수행과정에서나타난예비과학교사의논증구조및이에영향을미치는요인과예비교사교육에대한인식분석 백성혜 *, 손수희한국교원대학교 An Analysis of Pre-Service Science Teachers Argument Structures, the Factors Affecting the Practice of State Change Experiment in 7 th Grade and Cognition of Pre-Service Education Seoung Hye Paik*, Su Hee Son Korea National University of Education A R T I C L E I N F O Article history: Received 15 November 2013 Received in revised form 25 November February 2014 Accepted 27 February 2014 Key words: pre-service teacher, argument structure, science experiment A B S T R A C T The purpose of this study is to research pre-service chemistry teachers inquiry ability and perception on inquiry by analyzing their argument structure. Nine graduating senior students have participated in this study. They have experimented with mass change during state change, which is included in 7th grade science textbook. We have analyzed pre-service teachers experimental reports using Toulmin's argument model. Also, we have researched their views on science and experiments through questionnaires and semi-structured interviews. As results show, various factors have affected pre-services argument structures; lack of science knowledge and inquiry ability, belief about error, and additive data. This study shows that pre-service teachers inquiry abilities is insufficient, and it is necessary to review rearrangement of pre-service science teacher curriculum in order to offer inquiry experiments in teacher education program. Ⅰ. 서론과학적탐구가수행되는과정은매우복잡하고다중적이다. Giere 등 (2006) 은과학자들이실험을통해자료를수집하고, 이를설명하는모델로부터연역적인과정을통해예측하는데, 이과정에서실세계를설명하는모델이수정되거나정교화된다고하였다. 따라서학교과학활동에서도학생들이과학자가하듯이관찰과실험자료를근거로이론을개선하고새로운지식을구성하여야한다 (Lee et al., 2012). 하지만실제학교과학에서는과학자의탐구와는다른형태의탐구가이루어진다. 교사가교실에서셋팅한인위적인현상을관찰하거나, 실험은과학이론의확인을위한목적으로만수행되는경우가일반적이며, 예측을생성하거나예측과자료를비교하여실세계를설명하는모델을정교화하는과정은거의일어나지않는다 (Han, 2012). 만약실험을통해얻은자료가과학지식에일치하지않는경우는도구의조작미숙이나오차로간주하고과학이론을수용한다 (Cho & Song, 2011; Han et al., 2012; Kim & Kwon, 2005; Noh et al., 2000). 따라서교과서에제시된실험도기구조작, 측정, 기록전달이나, 자료해석의예상과추리와같은비교적기초적이고수동적인탐구에치중되어있다 (Kim et al., 2012). 과학교육에서탐구가강조됨에도불구하고, 많은연구들이실제학교과학실험을통해의도한교육목적이달성되지못한다는지적하였다 (Gray & Kang, 2012; Han et al., 2012; Lee & Lee, 2012). 이러한 과학실험의궁극적인문제는교사들이과학탐구의본질을잘이해하지못하기때문이다 (Choi & Seo, 2012; Han, 2012; Lee et al., 2012). 교사들은대체로확인실험수업모형에의존하였고 (Park, 2011), 학생들의실험수행능력이낮다고보고따라하도록안내하고 (Kim & Song, 2003), 탐구적사고과정보다는실험조작에더많은관심을기울였다 (Han, 2012). 이는측정의불확실성에대한인식이부재하기때문이다 (Lee & Lee, 2012). 이러한학교에서실험방식은수동적인태도 ( 김희경과송진웅, 2003), 보편적인과학방법이있다는인식 (Dodick et al., 2009; Lederman, 1992), 실험조건에대한인식의부재 (Chang, 2012; Chinn & Malhotra, 2002) 등학생들에게과학탐구에대한그릇된신념을심어준다 (Winschil et al., 2008). Chang(2012) 은이러한문제를해결하는방안중하나로 역사실험 (historical experiments) 을제안하였다. 과학이론을검증하기위한실험이아니라, 과학자가과학이론을형성하는과정에서경험한실험을제공함으로써실험의제한점안에서이론이도출되는과정을이해할수있으며, 자신의이론을지지하는데도움을주는 보충실험 (Complementary experiment) 의필요성도인식하게된다는것이다. 즉, 역사실험과보충실험은학교수업을통해학생들에게과학을안내할수있다고그는주장하였다. 과학교사의과학에대한신념은과학교육의성공을위한주요한요소중하나이다 (Abd-El-Khalick & Lederman, 2000; Kim, 2000). 학교에서수행하는과학활동과과학자의활동이다르다고생각하는 * 교신저자 : 백성혜 (shpaik@knue.ac.kr) 197

2 Paik & Son 교사들의신념은교사가탐구수업을계획하고실행하는데부정적인영향을미쳤다 (Kim, 2011). 특히교사가수업시간에보였던과학의본성에대한관점은이를가르쳤던학생들에게영향을미쳤다 (Kim et al., 2007). 이러한문제를예비교사교육과정으로부터지적한연구들도있다. Kim 등 (2008), Nam 등 (2007) 은예비교사들에게과학적탐구를경험할기회를충분히제공하지못하고있다고하였으며, Youn 등 (2012) 과 Whindschitl 등 (2008) 은심지어과학에대한왜곡된이미지를예비교사들에게심어주고있다고지적하였다. 또한교사들의실천적지식에예비교사교육은큰영향을미치지못하였으며, 학습자로서의경험이가장큰영향을미치는것으로나타났다 (Bang & Paik, 2010). 따라서이연구에서는예비과학교사들을대상으로중학교의교과서실험을수행하는과정에서예상과다른관찰이나타났을때어떠한반응을나타내는지에대해알아보고자하였다. 이러한반응유형을분석하는틀로는 Toulmin의논증구조를사용하였다. 또한자신의생각을보충하기위하여제안한실험결과에대한예비교사들의반응도추적하였으며, 이에영향을주는요인을조사하였다. 이를통해예비과학교사들이학교실험에대해가지는인식을파악하고, 예비교사교육과정에포함시켜야할내용을제안하고자하였다. Ⅱ. 연구방법 1. 실험의선정 2007 개정교육과정과 2009 개정교육과정의중학교 1학년과학에제시된화학영역의목표중에는 기화, 액화, 응고, 융해, 승화와같은여러가지상태변화현상을관찰하게하고, 이를모형을사용하여설명할수있다. 라는내용이제시되어있다. 이를반영한많은교과서에서는상태변화에서부피만변하고물질자체의성질이나질량이변하지않음을실험을통해이해하도록내용을구성하여제시하였다. 그리고이러한특성이나타나는이유는물질을이루는기본입자인분자의성질이변하지않으며, 물질의상태가변해도사라지거나변하지않기때문이라고서술하였다. 총 16종의교과서에서제시된관련실험의 Table 1. Types of textbook experiments related to state change phenomena 실험내용액체 ( 아세톤, 드라이아이스 ) 의상태변화에따른질량변화에대한실험 고체 ( 양초, 아세트산나트륨, 설탕 ) 의상태변화에따른질량변화에대한실험 질량과연관지은상태변화에대한실험없음 교과서종류 8 종 6 종 3 종 Figure 1. The result of candle state change experiment 내용을살펴보면 Table 1과같다. 그런데실제실험결과를보면, 양초의경우고체에서액체로변하면서부피팽창에따른약간의무게감소가나타난다 (Figure 1). 한교과서의실험과정대로따라해보았을경우고체양초를녹여액체를만들면저울의눈금이 0.01g 단위에서감소한다. 하지만다시굳히면고체양초가되면서저울의눈금은본래로돌아온다. 이실험은매우간단하고실험결과를뚜렷이관찰할수있어예비교사들에게인지갈등을유발하기쉬워 (Kim & Kwon, 2005; Noh et al., 2000), 보충실험을계획하는데효과적이다. 2. 연구대상연구대상자는중부권에위치한사범대학의화학교육과와환경교육과 4학년학생들을대상으로하였다. 연구에참여한학생들은 9명이었으며, 그중 6명 (A, B, C, E, H, I) 은화학교육과이고이들중 E와 H는각각공통과학교육과수학교육을복수전공하였다. 나머지 3명 (D, F, G) 은환경교육과로화학교육을복수전공하였다. 실험은모두개별적으로실시하였지만, 처음에정한자리배치는마지막시간까지유지되었다. 예비교사들은 3개의테이블에 2~4명씩앉았으며, 실험도중실험에관련된의견을주고받기도하였다. 예비교사 D, F, G가같은테이블, 예비교사 A, B, C, I가같은테이블, 그리고예비교사 E, H가같은테이블에앉아실험하였다. 3. 연구절차예비교사들에게중학교 1학년교과서의양초상태변화실험내용을제시하고, 실험을따라한후에보고서를작성하도록하였다. 연구에참여한예비교사의독립적인사고과정을알수있도록실험은개별로실시하였다. 그후고체양초와액체양초의질량이변하게된원인을찾아보는보충실험을제안하도록하였다. 이실험도예비교사들이모두각자실험을실시하도록하였으며, 9명의예비교사들은자신만의과학적탐구방법을고안해실험을실시하였다. 보충실험동안예비교사들은종종주위에같이앉은동료들과실험원리와방법결과등을같이토론하기도하였다. 실험이끝난후에결과에대한발표및토론을하였다. 이후실험보고서와설문지를바탕으로반구조화면담을실시하였다. 4. 자료수집가. 실험보고서실험보고서의종류는양초의상태변화실험과보충실험의 2종류이다. 양초의상태변화실험을실시할때교과서복사본이참고자료로제공되었고, 보고서에는예비교사들이실시했던실험방법과실험기구등을상세히기록하도록요구하였다. 실험보고서는실험이후바로개별적으로작성해서제출하도록하였다. 보충실험에서는예상과다른실험에서양초의상태변화에따른질량변화가생기는원인을알아보기위해실험을설계하여탐구하도록하였다. 이는 3시간동안이루어졌으며, 실험이끝난후토론시간을 198

3 An Analysis of Pre-Service Science Teachers Argument Structure 가졌다. 보고서의제출기한은토론이후일주일이내로한정하였다. 실험보고서방식은자유롭게하였다. Q 나. 설문지 실험을마친후에학생들에게대학실험수업에서배운것과, 가장주의를기울인부분, 이론을확인하는실험의의미에대한질문을묻는설문을실시하였다. 이문항은자유응답의형태로제시하였다. 다. 면담 Figure 2. Toulmin's argument model 연구대상인예비과학교사의인식을다면적이고심층적으로이해하기위해반구조화면담을실시하였다. 면담을실시하기전예비과학교사의실험보고서및설문지를과학교육전문가 1인과현장교사 1인과함께심층적으로분석한후면담프로토콜을준비하였다. 면담은연구자와연구대상자간 1:1로진행되었으며, 면담시간은 50분~90분이소요되었다. 면담이후분석과정에서질문사항이있는경우는추가면담을실시하였다. 면담내용은모두녹음한후전사되었다. 라. 수업관찰자료예비교사가실험을수행하는과정과예비교사간의상호작용을알아보기위해자료가수집되었다. 수업관찰중파악되는연구참여자의특징을노트에짧게기록하고, 예비교사간의상호작용을파악하기위해각실험테이블에는녹음기가배치되었으며, 전체적인실험수업상황을파악하기위해비디오녹화하였다. 녹음및녹화자료는데이터분석과정에서필요에따라참고하였다. 5. 자료분석연구에서수집한자료중실험보고서와전사한면담자료는모두문서화하였고기타문서자료와함께수업관찰자료도함께분석되었다. 실험보고서, 설문지, 면담등다양한자료를수집함으로써자료의다각화 (Triangulation) 를통하여질적연구로서의신뢰도와타당도를확보하려고하였다 (Merriam, 1998). 자료로부터나타난예비교사들의사고를분석하기위해 Toulmin(2003) 의논증모델을이연구의특성에맞추어간단히수정하여사용하였다. 예비교사들이자신의사고를정당화하는과정에서논증의형식이나타나기때문이다 (Hyun, 2010). Toulmin(2003) 은주장 (C-claim) 과근거자료 (D-data) 의논증을보다정당화하는조건으로보증 (W-warrant), 한정어 (Q-qualifiers), 반박 (R-rebuttal), 지지 (B-backing) 과같은구성요소를제안하였다. 한정어 (Q) 와반박 (R) 은자료의정당화에대한주장을전달하는힘의정도를지적하기위해필요하다. 한정어 (Q) 는정당한이유가이행되는강도를의미하며, 반박 (R) 은그정당화의일반적권위가인정되지않는상황을의미한다. 또한 왜그렇게생각하는가? 즉, 보증 (W) 에대한또다른보증이필요할때지지 (B) 를제시하였다. 지지 (B) 는보증의배후에있으며, 정당한이유들자체가어떠한권위도지니지못하거나통용되지못하게하는다른보증이다. 이를 Figure 2에제시하였다. 그러나이연구에서는예비교사들의논증구조에서지지나반박에 Figure 3. Pre-serviece teachers' argument model Table 2. Pre-service teachers' argument elements in candle state change experiment 근거자료 (D) 주장 (C) 한정어 (Q) 보증 (W) 예비교사 A, B, F, G, H C, D, E I 대한부분을찾기어려웠기때문에보다단순화한 Figure 3의논증모델로분석하였다. 그대신한정어의의미를확장하여해석하였다. 이연구에서한정어 (Q) 는주장이나타나지않는이유, 혹은요인을제시한것이며, 이러한요인이제거될때주장이맞을것이라고가정하는상황을의미한다. 예를들어가열하면양초의질량이줄어드는이유를증발때문이라고제시한경우를한정어로보았으며, 따라서증발하지않는다면질량이보존될것이라는주장과연결시켰다. 이연구의타당한자료분석을위해과학교육전문가 1인과현장교사 1인이함께분석하였으며, 이후박사과정에다니는현장교사 4인, 석사과정에다니는현장교사 5인이추가로검토하였다. Ⅲ. 연구결과및논의 1. 양초의상태변화실험에서나타난예비과학교사의논증구조 9명의예비교사는모두고체양초를녹여액체양초가되었을때측정값이약간감소하는것을관찰하였다. 하지만 8명의예비교사는고체양초를녹여도질량이일정하게유지된다고주장하였다. 그리고실험의근거자료가다르게나온이유를실험오차에서찾으려고하였다. 즉실험오차를예상과다른실험결과에대한한정어로사용하였다. 예비교사들의보고서에서실험결과의근거자료로부터주장을이끌어내는과정에서나타난논증요소는 Table 2와같다. 9명의예비교사중 5명의예비교사는근거자료, 주장, 한정어, 보증의요소가모두나타났다. 그러나요소가모두제시되었다고해도논리적으로타당한논증구조를가진것은아니다. Figure 4는예비교사 199

4 Paik & Son W : 상태변화에서물질의고유한성질이변하지않음. 질량은고유한성질. Q1 : 실험오차 - 양초휘발 D1 : - 고체양초가액체양초가되면질량이감소 - 녹은양초는굳으면서다시하얗게변했고원래의양초상태로돌아옴 D2 : 녹은양초를굳히면다시질량이증가 기각 Q2 : 실험오차 - 우리가모르는반응이나현상이일어나 C : 상태변화에서질량은변하지않는다. Figure 4. Pre-service teacher A's argument structure in candle state change experiment Q : 실험오차 - 양초휘발 - 공기와상호작용 D : 고체양초가액체양초가되면질량이감소. 다시굳히면질량이증가. C : 상태변화시질량변화는어떠하다는경향을발견할수없음. Figure 5. Pre-service teacher I's argument structure in candle state change experiment A의논증구조이다. 그는처음논의과정에서는고체에서액체로갈때질량이감소하는현상 (D1) 에도불구하고상태변화에서질량은변하지않는다 (C) 는주장을하였고, 물질이상태변화에서고유한성질은변하지않으며질량은물질의고유한성질이므로상태변화할때질량이변하지않는다는보증 (W) 을제시하였다. 그리고질량이감소한이유는양초의성분이증발하였기때문이라는한정어 (Q1) 를제시하였다. 예비교사 A는자신이제시한한정어의조건을증명하기위한보충실험으로액체양초를다시굳히는실험을실시하였다. 이과정에서녹은양초가굳으면서다시질량이증가한다는근거자료 (D2) 를얻었다. 이자료는양초의어떤성분이액체가됐을때공기중으로날아간다는한정어 (Q1) 와상충된다. 따라서이한정어를기각하고우리가모르는반응이나현상이일어날수있다는새로운한정어 (Q2) 를제시하여질량이일정해야한다 (C) 는주장을유지하였다. 예비교사 A의논리에서모순은보증에있다. 상태변화할때질량이변하지않는다는주장을하기위하여물질의고유한성질이변하지않는다는보증을제시하였으나, 이들간에는주장과보증의관계가성립하지않는다. 질량이라는물질의고유한성질이변하지않는상태변화를하였기때문에상태변화에서질량이보존되었다고주장하는것은논리적으로보았을때어순만바꾼상황이기때문이다. 예비교사 H도유사한논증구조를가지고있었으며, 이러한예비교사 A와 H의사고는중 고등학교과학교사들도가역변화는물리변화, 비가역변화는화학변화라고생각했던 Paik & Kim(2002) 의선행연구결과와관련이있다. 양초를가열하여액화시킨후에다시냉각시켜서굳히면양초가만들어지므로이러한가역반응을통해양초의가열과냉각과정은물리변화라고가정하는시각을가지고있기때문이다. 그러나 가열을통해화학반응이일어나더라도질량은보존되며, 가역반응을통해다시생성물이반응물로되돌아올수있기때문에다시본래의반응물상태로되돌아왔다는근거자료로부터가열후에도물질의성질이변하지않았다고보증하는것은논리적문제를가지며, 선행연구에서도이러한점을지적하였다. 예비교사 C, D, E는주장에대한보증이나타나지않았으며, 예비교사 I는주장과보증이모두나타나지않았다. 보증과주장을모두제시하지못한예비교사 I의논증구조를 Figure 5에제시하였다. 그는양초를가열후액체상태와고체상태의질량을측정하였고, 액체가되면 0.21g 감소하고고체가되면 0.06g 증가하는것을관찰하였다. 그러나이증거자료로부터어떠한주장도하지못하였다. 따라서근거자료로부터주장을정당화하는데필요한한정어도의미를가지지못한다. 주장자체를제시하지못하였기때문이다. 또한그는이실험에대한보증으로상태변화할때분자수의변화가없다는것을인식하지못하였기때문에실험결과에대한논증구조를형성하였다고보기어렵다. 그런의미에서주장과한정어는있지만보증을제시하지못한예비교사 C, D, E의경우에도논증구조가제대로형성되었다고말하기어렵다. 근거자료와다른주장, 그리고보증이없는주장은논리적의미를형성하지못하기때문이다. 2. 보충실험에서나타난예비과학교사의논증구조실험에참여한모든예비교사들이액체양초의질량이고체양초의질량보다작음을확인하였다. 이에대한한정어로실험오차를제시하 200

5 An Analysis of Pre-Service Science Teachers Argument Structure 였기때문에, 연구자는실험오차란무작위한방향성을가져야하는데, 모든실험에서일관성을나타낸다면이를오차로보는것은타당하지않음을지적해주었다. 그리고왜이러한규칙성이나타나는지에대한보충실험을수행하고주장을하도록요구하였다. 보충실험의과정에서예비교사들은한정어로생각했던요인을통제하기위한실험을실시하고, 근거자료를통해한정어와주장을기각하거나수용하는사고과정을거쳤다. 이과정에서예비교사들의실험에대한논증구조를파악하였다. 예비교사 A, B, F는실험결과로얻은근거자료로부터질량이보존된다는주장을무게의변화로변화시켰다. 그리고한정어로측정도구인전자저울이부력을고려하지못하므로무게를측정하였다고제시하였다. 이러한논증구조는논리적설득력을가진다고볼수있다. 그러나예비교사 C, D, E, G, H는질량보존에대한근거자료를얻지못하였음에도불구하고질량이보존된다는주장을유지하였다. 따라서논증구조의논리에문제가있다고판단할수있다. 예비교사 I는근거자료로부터어떠한주장도하지못하였는데, 이는양초의상태변화실험에서와같은특성이었다. 이를 Table 3에제시하였다. Figure 6은예비교사 F의논증구조이다. 예비교사 F는양초의상태변화실험에서근거자료에대한한정어로양초의휘발을제시하였으나, 파라필름으로밀봉시켜도질량이감소하였고, 다시굳혔을때질량이증가하는현상때문에이한정어를기각하였다. 그리고다른실험의오차로측정도구의문제를제기하였다. 전자저울은물체의질량이아닌무게를측정한다는것이다. 그리고이에관련된보충실험으로용수철저울의추를물속에서측정할때와 Table 3. Pre-service teachers' argument elements in the supplement experiment 근거자료 (D) 주장 (C) 한정어 (Q) 보증 (W) 예비교사 A, B, F C, D, E, G, H I 공기중에서측정할때를비교하여부력에차이가남을확인하였다. 따라서이근거자료로부터부력의작용을보증으로제시하고무게의변화를주장으로제시하였다. 예비교사 F에게새로운한정어인저울의문제를부력으로생각한이유에대해물어보았다. 예비교사 F : 닫혀있는상태가아니라열린상태라면, 제가그때생각했을때에는아무래도액체가이정도크기라고하면고체는이정도크기잖아요. 부피가줄어들면그만큼의공기가치환되어서그공기만큼무게가더늘어날것이라고생각했거든요. 그래서부력이라는개념을생각했었습니다. 그러나예비교사 F의실험설계는양초의상태변화에서나타난측정값의변화를설명해주지못한다. 그가실시한실험은서로다른유체에서물체에작용하는부력이다르다는근거자료를제시한것이고, 같은유체에서질량이같고부피가다른물체의무게가다른지에대한근거자료가아니기때문이다. 예비교사 C, D, E, G, H는새로운근거자료를얻지못하였음에도불구하고지속적으로한정어를바꾸어가면서주장을유지하였다. Figure 7은보충실험에서분석한예비교사 C의논증구조이다. 예비교사 C는상태변화하면서질량이변한이유는젓개로사용한유리막대에양초가묻었고, 공기의흐름에의한영향때문이라는한정어를제시하였다. 따라서보충실험으로유리막대를사용하지않고밀봉을시켜실험을실시하였다. 그러나역시질량이감소하였기때문에 (D2) 자신이제시한한정어를버리고새로운한정어를제시하였다. 그는 비커에비해양초를너무나적은양을넣고실험한것이실험결과에영향을미쳤을것이다. (Q2) 라는한정어를제시하고이를증명하기위해양초의양을달리하면서보충실험을실시하였다. 그러나근거자료 D3와같이양초의양에관계없이모두 0.1g 정도차이가나타났다. 이러한근거자료로부터다시한정어를버리고새로운한정어로, 녹기전온도와녹은후온도차이 ( 온도증가 ) 로질량이감소했을 D1 : - 고체양초가액체양초가되면질량이감소 D2 : - 밀봉해도고체양초가액체양초가될때질량약간감소 - 다시굳혔을때원래대로질량증가 D3 : 용수철저울로추의무게를측정할때공기에서보다물에서무게감소. 기각 수용 Q1 : 실험오차 - 양초휘발 Q2 : 실험오차 - 전자저울을사용해부력을고려하지않아서 W : 유체속에가라앉은물질은부력이작용하고부력은무게에영향을줌. C1 : 상태가변해도질량은변하지않는다. C2 : 상태가변하면무게가변한다. Figure 6. Pre-service teacher F's argument structure in the supplement experiment 201

6 Paik & Son 것이다. (Q3) 을제안하였다. 그리고양초의상태에따른질량변화를관찰한후, 실험결과충분히시간이지난후, 녹은액체가다시굳어져고체가되었을때질량은녹이기전의것과동일하게측정되었다. (D4) 라고하며 Q3를수용하였고, 상태변화시질량은변하지않는다는주장을유지하였다. 그러나액체양초에서질량이감소하는근거자료에대해서는 식히는과정에서액체가고체로다시굳어버리기때문에녹이기전온도와똑같은온도를유지시켜주며액체상태의질량을측정하기어렵다. 는한정어를통해실험을마무리하였다. 예비교사 C도논증구조에서오류를범하고있다. 보충실험의문제는상태변화에서양초의질량이다른이유를알아보는것이다. 그런데예비교사 C는고체양초가액체가되었다가다시굳혔을때질량이처음과같아졌기때문에중간에액체에서질량이감소하는현상을관찰하였음에도자신의실험결과가상태가변할때질량은변하지않는다는주장을뒷받침할수있다고생각했다. 또한한정어의조건을확인하지못하는실험을설계하였다. 예비교사 C는 녹기전온도와녹은후온도차이로질량이감소했을것이다. 라는조건을확인하기위해 D4의근거자료를얻을보충실험을설계하였다. 그런데이실험에서온도를측정하지않고상태변화만관찰하고, 그결과를통해온도때문에질량이달라진다는한정어를증명하기어렵다는점을인지하지못하고이를수용하였다. 이와같이보충실험에서 9명의예비교사들은근거자료를생성하고주장과이에대한한정어의논증구조를형성하는데많은오류를범하였다. 양초의상태변화실험은교과서에실험과정이제시되었기때문에근거자료를생성하는데에오류를범하는경우가관찰되지않았으나, 보충실험은근거자료를얻기위한실험설계과정에서부터오류가발생하여논증구조의문제가나타났다. 3. 논증에영향을미치는요인가. 주장과관련된보증에대한이해부족예비교사들의보증에대한이해결핍은논증구조에영향을주었다. 교과서에제시된양초의상태변화실험에서는 5명의예비교사들이보증을제시하였으나, 스스로실험을설계하는보충실험에서는단지 3명의예비교사만이보증을제시하였다. 예비교사 C, D, E, I는실험과정에서한번도보증을드러내지않았다. 그리고이들은공통적으로자신의실험설계의이유에대해명확히설명하지못하였다. 다음은보충실험에서한정어로온도의영향을언급하고상태변화할때에도온도가같으면질량이보존될것이라고주장한예비교사 C와의면담내용이다. 면담자 : 자기생각은온도변화때문이다. 온도가어떻게영향을미친거죠? 예비교사 C : 맨처음에공기의흐름을말한게, 엄청난영향을따지면기체분자의운동이활발해져서밀봉된상태에서압력이높아지고, 그런걸로영향을미칠거라고생각을했거든요. 온도가높아졌을때솔직히그안에있는분자운동이런거밖에없잖아요. 저는밀봉된상태에서고체양초가있으면그위에있는기체가영향을미치지않을까생각했는데, 엄청미미할거같긴해요. 면담자 : 지금밀봉을했잖아요. 밀봉을했으면그비커안에들어있는기체분자수에는영향을안받지않았을까요? 분자수는똑같잖아요. 분자수가똑같으면입자가똑같이있으니까질량이똑같아야하는거아니에요? 예비교사 C : 입자수가늘어난다는개념이아니라, 운동이활발해지니까, 비커에미칠수있다고생각을했었어요. 면담자 : 운동을하면, 질량에영향을준다? 예비교사 C : 비커벽에충돌수가많아질거라생각을해서 ( 중략 ) 잘모르겠어요. 아직도이실험에대해서. 보증에대한이해부족은상태변화, 입자수, 질량, 온도등의관계를제대로이해하지못하는것이기때문에보충실험의설계에서도많은문제가드러났으며거듭되는실험에도불구하고근거자료와주장과한정어사이에끊임없는공회전을하도록만들었다. 나. 탐구능력부족예비교사들은예상과다른실험결과를설명하기위하여스스로실험을설계하여탐구하는과정에서문제인식, 변인통제, 자료해석, 자료변환등의탐구능력이매우부족한것으로나타났다. 근거자료와주장사이에불일치한상황이나타날때, 이에대한문제를인식하지못하거나, 적절한보충실험을통해보증을하려고할때필요한변인을선택하지못하는경우가빈번히관찰되었다. 또한근거자료가주장과다름에도불구하고근거자료를무시하고주장을되풀이함으로써자료해석능력의부족을보여주기도하였다. 앞서제시한논증구조의특성에서도예비교사들이근거자료를통해주장을하는과정에서다양한탐구능력의오류가나타났음을지적하였다. 그외에도자료를해석하여주장을하기위해필요한자료변환능력이부족하다는특징이있었다. 예를들어예비교사 A는 Figure 8과같이실험결과를그래프로변환하였다. D4는총 18번의측정중두번측정값이감소하였는데그래프에서모든수치를포함하지않고변화한부분만취하여그렸기때문에그래프를통해서는질량변화가컸다고생각하기쉽다. 또한 D4, D5, D6를비교해보면, D4에서는거의일정하게유지되고, D5에서는고체와액체사이질량이 0.03g 규칙적으로변하고, D6에서는 0.05g 변한후, 0.02g 규칙적으로변하지만, Y축의단위를 D4에서는 0.002, D5에서는 0.02, D6에서는 0.01로단위를각기달리하였기때문에그래프를통해서는각실험조치에따른무게변화정도의차이를알수없다. 이러한경향은예비교사 H, I에서도그대로나타난다. 이들은실험간에단위를고정시키지않아, 그래프를비교해서는어떤실험이유의미한지알수없었다. 예비교사 F는예상과같은실험에서그래프를통해변화된정도를표현하고자하였는데, 그래프의 x축과 y축뿐만아니라그래프자체가무엇을나타내는것인지표시하지않았다. 다. 오차에대한신념교과서에제시된실험과보충실험에서얻은결과가주장하고자하는바와달랐을때모든예비교사들은한정어로실험오차를언급하였다. 보충실험을통해서도근거자료가변하지않음에도불구하고, 예비교사들은새로운한정어를찾는작업을끊임없이지속하면서처음에제시한주장을버리지않으려는경향을보였다. 202

7 An Analysis of Pre-Service Science Teachers Argument Structure Table 4. Pre-service teachers' thoughts about college experiments 응답이론확인실험조작능력데이터처리실험설계이론과다른내용토론 응답이론을확인하기위한정확한실험, 오차제거이론조사반복실험을통한신뢰도실험안전적절한실험기구데이터처리와분석 예비교사 A, B, C, D, E, F, G, I A, B, C, H, I H I D Table 5. Pre-service teachers' thoughts about the focus of college experiments 예비교사 A, D, E, R, G, H, I F, I D B, D B, D C 양초의상태변화실험결과가예상과다르게나왔을때, 4명의예비교사들 (C, D, E, I) 이한정어만제시하고보증을제시하지않았다. 한정어와보증을모두기술했던예비교사들중질량변화를단순한실험오차라고설명했던예비교사 G를제외한예비교사 A, B, F, H도보증보다는한정어로오차의원인에집중하였다. 예를들어예비교사 B는실험보고서에서다음과같이기록하였다. 가열전후양초의분자개수는일정하므로양초의질량은변함이없어야하지만약간감소하였다. 이렇게간단한실험이라도더정확하게실험하기위해어떻게실험하면좋을까라는생각이들었다. 오차율을줄이기위해서많은양의양초를사용한다면상대무게달기오차가감소할것이다. ( 예비교사 B의 1차실험보고서중일부 ) 예비교사 B의보고서를통해실험오차를줄이기위한방법에많은관심을가지고있음을확인할수있다. 많은예비교사들이자신의근거자료를한정하는결과를얻음에도불구하고, 새로운보증과주장을찾기보다는오차라는한정어에매달려주장을지지하려는태도는논증구조에바람직하지못한영향을미쳤다. 이렇게실험결론에서자료가가지는과학적인의미를이해하고원인을설명하는데소홀한예비교사의경향은 Windschitl 등 (2008) 의연구에서나타난학생들의탐구에대한인식론적특성과유사하다. 또한실험결과가자신의이론과일치하지않는경우불일치가능성을열거하면서오차의발생원인이라고명명할뿐불일치를해소하려는노력을전개하지않다는 Lee 등 (2012) 의연구결과와도일치한다. 4. 예비교사교육에대한인식 Table 6. Pre-service teachers' thoughts about confirming scientific theory in experiments 도움이된다. 응답응답에대한이유예비교사 도움이안된다. 눈으로보는것이이해가잘되기때문에, 기억에오래남기때문에과학자가과학지식을만든방법을경험할수있기때문에 진정한탐구가아니므로 B, C, D, E, F, I H A, G 을가르치는능력을형성하지못한것이라고할수있다. 예비교사들은대학실험수업을통해배운것 (Table 4) 과실험수업동안집중하는것 (Table 5) 에대한설문조사를실시하였다. 그결과 9명의예비교사들이모두이론을확인하는것이라고답하였다. 이론을확인하는실험의의미에대해대부분의교사들이도움이된다고답하였고, 그이유로이해가잘되거나, 과학자의방법을경험할수있기때문이라고답하였다 (Table 6). 그러나학생들의논증구조를보았을때실험을통해주장하고자하는내용에대한이해를도모했다고보기어려운점이있다. 도움이되지않는다고응답한 2명은대학에서배운실험이진정한탐구가아니어서도움이되지않았다고응답하였다. 다음은예비교사 C 와의면담자료이다. 면담자 : 그럼우리가대학교에서하는실험과중고등학교실험은어떤거같아요? 예비교사 C : 좀, 중고등학교실험보다저희가하는실험이더많이닫힌거같아요. 저희가실험하는자세도잘못된거같고. 저도실험할때옆에조에물어봐서데이터맞추고, 데이터조작도하고, 그렇게해서, 결과를뻔히아니까, 공부를다한상태에서실험을하니까, 보고서에이론도미리써오고하잖아요. 그거에맞게나와야하니까. 면담자 : 보고서쓸때실험을하지않아도답은아는거네요? 예비교사 C : 아무래도좀그런거같아요. 정해진걸로하는거니까, 정해진이론값이있으니까. 그런거같아요. 그거 ( 이론값 ) 에맞게, 몇번시도해도안나오면오차분석으로끝내고. 예비교사 C는면담과정에서평소의실험수업에서실험을하지않아도실험의결과는알고있으며, 이론값에맞도록실험값을얻도록노력하고차이가생기면오차를분석하는데집중한다고언급하였다. 예비교사들이과학교사양성교육에서경험한실험에대한인식이중학교 1학년수준의실험을실시하는데에서도그대로드러났다. 이러한점에서미루어볼때, 과학교사양성교육의실험수업을통해형성되는예비교사들의경험은이들이과학교사가되어중학교과학실험을실시할때에영향을미칠수있을것이라고판단된다. 다음은중 고등학교와대학교, 과학자의실험에대한예비교사 I와의면담내용이다. 예비교사들은대학수준의화학실험과정을모두이수하였음에도불구하고, 중등교육과정의실험에서제대로된논증구조를형성하지못하였다. 이는앞으로교사가되어학생들에게탐구활동을지도할때교과서의실험내용을따라하는수준에서벗어나실험의논증과정 면담자 : 실험이 3가지종류가있다고하면, 중 고등학교에서학생들이하는실험, 대학생의실험, 과학자의실험이있잖아요. 이것들이같다고생각해요다르다고생각해요? 예비교사 I : 저는다르다고생각해요. 대학교실험에서느낀건데, 오차가 203

8 Paik & Son 이렇게많이있을수있다는것을알았어요. 중 고등학교때는선생님들이결과를방향을맞춰놓은건데, 그대로해보기만하는거고, 대학교는어쨌든결과를모르고하게되니까요, 일단오차가이정도있을수있다. 계속오차라고생각하긴했지만, 차이가있을수있다정도는확장이된거같아요. 그런데중 고등학교때는무조건이렇게나온다고생각을했어요. 그러한실험들을거의하니까크게달랐던실험이없었던같아요. 면담자 : 예상과달랐던실험이없었는데, 대학교오니까오차가있을수있다는점을알았던점이대학실험과학교실험의차이점인거네요. 그러면고등학교실험은거의결과를알고실험을했다는거네요. 예비교사 I : 네. 거의. 면담자 : 그런데대학교실험은결과를모르는상태로, 그럼과학자의실험은어떤거같아요? 예비교사 I : 제가생각한과학실의실험은변인같은게통제가거의완벽한실험으로생각했고, 시행횟수나이런점에서도엄청많고. 면담자 : 그럼과학자의실험은더정확하고정밀한실험이다? 예비교사 I : 네. 예비교사 I는고등학교실험은이미예상된결과가나와야하며, 과학자의실험도엄밀하기때문에큰오류가없지만, 대학교에서의실험은변인통제등의문제로실험을하면서오차가많았던점에놀랐다고하였다. 그는실험이정밀하기못하기때문에다양한오차가발생하므로실험결과로부터주장을도출하지못한다고생각하였다. 이러한사고는양초의상태변화실험과보충실험에서드러났다. 전반적으로볼때예비교사교육과정동안이루어지는실험수업을통해예비교사들의탐구적사고를길러주기어려운것으로나타났다. 예비교사들이대학의실험과정에서는왜그렇게설계되었는지, 왜이러한근거자료로부터주장을할수있는지에대한고찰이이루어지지않고, 실험결과를보증이되는이론적근거에맞추는활동만하기때문에중학교 1학년과학수준의간단한실험과정에서도논증구조를제대로형성하지못한것이다. 과학교사양성교육에서는대학수준의전공실험을경험시키는것보다수준이낮은실험이라고하더라도실험결과로부터보증과한정어, 주장을타당하게이끌어내는논증구로를제대로갖출수있도록예비교사들을지도해야한다. 그래야예비과학교사들이교사가되어학교현장에나갔을때학생들에게탐구능력을신장시켜줄수있는실험수업을제공할수있으며, 진정한과학자의양성을가능하게할것이다. 실험에서실험값과이론값의차이를오차로여기며오차의원인에대해매우집중했던예비교사들의경향은실험에대한인식에서도그대로나타났다. 다음은예비교사 B의예상과다른실험보고서내용중일부이다. 중학교 1학년을대상으로이실험수업을진행할때내가수행한결과처럼약간의오차가나타나게되는데아이들이고체에서액체가되면질량이변한다는오개념을가지지않도록모든아이들의실험결과를교사는관찰하고결과에대해토의해보고실제로는물질의양이변하지않는다는것을아이들에게알려주어야한다. ( 예비교사 B의교과서의실험보고서중일부 ) 중학생들에게실험을통해혼란스러운상황을제공하면안된다는 생각은예비교사 I와의면담내용에서도찾을수있었다. 면담자 : 이실험을중학생들한테해볼거같아요? 예비교사 I : 지금수업이랑설문조사를하면서혼란스러운게실습을갔는데거기서도상태변화를배우고있어요. 당연히선생님들도실험을안하시려고하죠. 저도생각을해봤는데, 잘모르겠어요. 여기도적었는데. 전부다보여줄수없는데, 아직학생들은이이론이틀린것도잘모르는데, 이것을보자하고다른것을던져주면혼란스러워할거같아요. 물론창의적으로생각하는학생들도있을것같은데, 매우소수라고생각하거든요. 교사가수업을하면중간층을끌고가야하는데, 개념화가되지않을거같아요. 생각을여러가지로해볼수있을거같은데. 면담자 : 학생들에게정확한것을가르쳐야하는거네요? 예비교사 I : 네, 명확하게. 정확한거는없죠. 면담자 : 이론은정확하지않고수정될수있다고생각을하잖아요. 그걸학생들에게가르쳐야겠다는생각은안해요? 예비교사 I : 바뀔수있다는점을요? 음, 그런데, 학생들은이이론을배우지도못했는데아직, 계속변화가능성부터이야기하면. 제가과외를할때도원자가설바뀌는것을수업을했는데, 학생이바뀔거면왜가르치냐는식으로질문을해서저도고민을했었거든요. 그말도일리가있는것으로생각이되어서. 그리고계속이거틀린거아니에요? 틀린거아니에요? 이런식으로반응을하는거예요. 뒤에오비탈을배우고나니까. 그래서일단나중에틀렸다. 아니면바뀔가능성이있다. 이런식으로자꾸수업을하면받아들이기가더힘들지않을까요? 이러한예비교사의실험에대한인식은 Chang(2012) 의견해와상반된다. Chang은학생들에게자연그대로를실험현상으로제시해주어야하며, 이론과의불일치로인해명확히설명이어렵다고하더라도이것은올바른과학지식과과학의본성을심어줄것이라고하였으며, 학생들에게과학에대한호기심을심어주며긍정적으로작용할것이라고하였다. Ⅳ. 결론및제언이연구를통해중학교 1학년수준의실험을수행하는과정에서도예비교사들의논증구조는매우취약함을확인할수있었다. 특히교과서실험의경우에는근거자료를얻는과정이명확하게제시되어있기때문에근거자료로부터주장을하는과정에서필요한보증이부족한경우가많이관찰되었으나, 스스로보충실험을설계하고이를통해자신의잠정적결론을점검하는활동에서는보증뿐아니라근거자료를얻는활동도제대로이루어지지않는경우가많았다. 논증요소를모두갖춘경우에도논리적으로논증구조를형성하지못한경우가대부분이었다. 예비교사들은근거자료가주장과다름을인식하지못하거나인식하여도실제주장을기각하지못하는것으로나타났다. 또한자신의주장과상충되는한정어를제시하는오류도있었다. 예비교사들이대학교수준이아닌, 중학교수준의실험을수행하는과정에서도제대로된논증구조를형성하지못하였다는사실을통해실험의수준과상관없이탐구능력이매우부족함을알수있다. 이러한연구결과를통해예비교사들은스스로실험을설계하고탐구하는과정에서문제인식, 변인통제, 자료해석, 자료변환등의 204

9 An Analysis of Pre-Service Science Teachers Argument Structure 능력이매우부족하며, 특히논증구조상보증에대한이해부족이논증구조를제대로형성하는데큰걸림돌이됨을확인할수있었다. 그리고예비교사들은실험결과가예상과다를때오차에대한신념이매우강해서자신의근거자료를토대로주장을하는능력이매우약함을알수있었다. 근거자료에대한주장에필요한보증이나타나지않았던예비교사들은관련근본지식이부족하거나, 탐구에대한인식이부족하여실험을통해관찰되는사실만서술할뿐관찰현상이왜그렇게나타나는지에대해사고하는능력이부족하였다. 예비교사교육과정동안경험하는대학실험수업은대부분이론의확인과실험조작능력등이며, 특히오차를제거하고이론에맞는실험을하는것에초점을두고있는것으로나타났다. 따라서진정한의미의탐구실험을경험하거나인식하지못하였음을알수있다. 중고등학교과학교육에서실험의의미가학생들에게제대로전달되는것은과학교사를통해서이다. 그러나단지많은실험을경험한다는것만으로논증구조를제대로형성하고탐구적사고를할수있을것이라고기대할수는없다. 이는정교한교육과정을통해서만획득될수있다. 이연구를통해예비과학교사교육에서반드시길러주어야할능력이있음을확인할수있었다. 과학교사가교과서의실험을그대로따라수행할수있고, 실험결과가예상과다를때이를오차로간주하고이론값에근거하여과학적주장을한다면, 학교에서이루어지는실험은교육적가치를가지기어려울것이다. 이러한문제때문에실험실을개선하고, 실험재료비등이풍부해도학교에서는실험을통해얻는교육적효과가미비하기때문에실험을기피하는것일수있다. 실험의진정한의미는실험결과로부터얻는증거자료가주장을보증하는지, 보증하지않는다면어떤한정어가가능한지등에대한사고능력을길러야하는것이다. 그리고이러한능력을교사들이획득하기위해서는예비교사교육과정의개선이필요하다. 그러나아직까지예비교사교육과정에서탐구실험과정에서필요한예비교사들의논증구조를길러줄수있는교육의중요성과교육적효과를알아본연구는거의수행되지못하였다. 앞으로많은연구를통해교사들이과학적탐구실험의논증구조를제대로지도할수있는능력을갖추게된다면중등학교에서이루어지는과학실험수업과과학자들의탐구실험의차이가질적으로줄어들게될것이며, 궁극적으로과학교육이지향하는목표인탐구적사고력을학생들의획득할수있도록효과적인교육이이루어질수있을것이다. 이연구에서는상태변화에서나타나는질량변화에초점을둔연구를진행하였으나, 이외에도탐구실험의논증구조를파악할수있는다양한실험들이발굴될필요가있다. 이를통해당연한기정사실로받아들였던과학개념에대해탐구적사고능력을기르고, 창의적인새로운방식의사고가가능하도록지도할수있을것이다. 국문요약이연구에서는중등교육과정의실험을수행하는과정에서예비과학교사의논증구조를분석함으로써예비과학교사의탐구능력과탐구에대한인식을조사하고자한다. 사범대학교 4학년에재학중인예비과학교사 9명을대상으로하였으며, 중학교 1학년과학교과서의상태변화에관한실험을수행하였다. 예비교사들의실험보고서는 Toulmin의논증구조를분석틀로분석되었다. 또한설문지를통해과학과실험에대한인식조사를하였으며, 반구조화된면담을실시하였다. 연구결과, 예비교사들의논증에는과학지식의결핍, 탐구능력미흡, 오차에대한신념, 추가근거자료가영향을미쳤다. 이러한연구결과를통해예비교사들의실험탐구능력수준은미흡하며, 예비교사교육과정을재구성하여교사교육프로그램을통해탐구실험을경험할수있는기회를제공할필요가있다고주장하였다. 주제어 : 예비교사, 논증구조, 과학실험 References Abd-El-Khalick, F., & Lederman, N. G. (2000). Improving science teacher s conceptions of science: A critical review of the literature. International Journal of Science Education, 22(7), An, Y. L., & Kim, H. J. (2011). Recognition of the nature of science by preservice science teachers on the basis of the atomic model. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 31(4), Bang, E. J., & Paik, S. H. (2010). An analysis of middle school teachers orientations toward teaching science (OST) and factors affecting OTS. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 30(6), Bufflera, A., Lubbenb, F., & Ibrahima, B. (2009). The relationship between students views of the nature of science and their views of the nature of scientific measurement. International Journal of Science Education, 31(9), Chang, H. (2012). Can historical experiments improve scientific education First IHPST Asian Regional Conference. Seoul National University (SNU), Seoul, South Korea, October, Choi, B. S. (2009). Research of chemistry textbooks and teaching. Seoul: Free Academy. Choi, J., & Seo, H. Y. (2012). Effect of Inquiry-based biology program on pre-service science teachers` perceptions on the nature of science and affective domain of science. Journal of the Korean Association for Research in Science Education, 32(5), Dodick, J., Argan, S., & Chase, P. (2009). Understanding scientific methodology in the historical classrooms. Science Education, 84(3), Fairbrother, R., & Hackling, M. (1997). Is this the right answer? International Journal of Science Education, 19(8), Gess-Newsome, J. (1999). Pedagogical content knowledge: An introduction and orientation. In J, Gess-Newsome & N. Lederman (Eds). Examining pedagogical content knowledge. MA: Kluwer Academic Publishers. Gray, R., & Kang, N., H. (2014) The structure of science arguments by secondary science teachers: Comparison of experimental and historical science topics. International Journal of Science Education, 36(1), Han, G. B., Min, H. J., & Paik, S. H. (2012). The teachers and students perceptions on lectures and experiments of law of definite proportion in middle school science classes. Journal of the Korean Chemical Society, 56(1), Han, Y. H. (2012). Development of classroom inquiry model to improve scientific communication ability (Doctoral dissertation). Korea National University of Education, Chungbuk. Hyun, N. S. (2010). Use of Toulmin s argumentation in humanities writing. Thinking and Representation, 3(2), Jho, H. K., & Song, J. W. (2011). The observation type of primary students and the effect of their views of science on observation activity in anomalous situation. Elementary Science Education, 30(4), Kim, H. H. (2011). Secondary science teacher's views about the nature of science and relationship to their pedagogical content knowledge (Master s thesis). Korea National University of Education, Chungbuk. 205

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