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도원 엄
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1 Journal of the Korean Chemical Society Printed in the Republic of Korea 뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 김성기 김석원 백성혜, * 나주고등학교 봉의고등학교 한국교원대학교 ( 접수 ; 게재확정 ) The Effect of Explanation in Conjunction with Gravity and Density on Students' Alternative Conceptions for Floating and Sinking Phenomena Sung-Ki Kim, Suk-Won Kim, and Seoung-Hey Paik, * Naju High School, Naju 5858, Korea. Bongeui High School, Kangwon 4313, Korea. Department of Chemistry Education, Korea National University of Education, Chungbuk 8173, Korea. * shpaik@knue.ac.kr (Received January 19, 017; Accepted April 1, 017) 요약. 본연구는수압공식을이용한설명대신, 밀도와중력의개념을연결한설명이뜨거나가라앉는현상에대한학생들의대안개념에어떠한영향을미치는가를알아보고자하였다. 연구대상은강원도에위치한한고등학교 학년 4개반, 140명의학생들이었으며, 이들을실험집단과비교집단의두집단으로나누었다. 실험집단에는밀도와중력개념을연계한설명을도입한수업을, 비교집단은교과서에제시된수압공식을이용한설명을도입한수업을각각실시하였다. 사전검사결과를공변수로하여공변량분석 (ANCOVA) 을한결과, 물질의특성과관련된 3 문항중 개문항은두집단간차이가통계적으로유의하지않았으나, 1개문항은수업의작은효과크기 (Hedges' g=0.37) 를보였다. 그리고대안개념변화추이에서도두집단사이에유의미한차이가없었다. 반면, 물과물체와의상대적무게관계와관련된문항에서는 3개문항모두두집단간차이가통계적으로유의미한효과크기 (0.86~0.50) 를나타내었다. 뿐만아니라사후에실험집단의압력과관련된대안개념의빈도수가비교집단에비해상당히감소하였다. 따라서이연구에서제안한무게와밀도를연계한설명방식은뜨고가라앉는현상에대한학생들의대안개념을제거하고과학적개념을형성하는데효과적임을알수있다. 주제어 : 뜨고가라앉는현상, 중력, 밀도, 압력, 대안개념 ABSTRACT. The purpose of the study was to investigate the effect of explanation in conjunction with gravity and density on students' alternative conceptions for floating and sinking phenomena. The subjects were 140 students of 11th grade in 4 classes of a high school located in Gangwon Province. We divided them in two groups; comparison and experiment. The students of experiment group learned explanation in confection with gravity and density. The students of comparison group learned explanation of pressure as represented in physics textbook. ANCOVAs (analysis of covariance) were conducted using the pretest as a covariance. In items related to characters of matter, items are not significant and only 1 item has significant small effect size (Hedges' g=0.37). In the change of alternative conceptions, there is no meaningful gap between two group. However, in items related to relative weights between object and water, the all items have significant effect sizes (0.86~0.50). In addition, frequency of experiment group's alternative conceptions related to pressure decreases considerably, but comparison group does not. Therefore, the explanation in conjunction with gravity and density suggested in this study can decrease students' alternative conceptions related to floating and sinking phenomena and increase scientific conceptions. Key words: Floating and sinking phenomena, Gravity, Density, Pressure, Alternative conception 서론보편적으로뜨거나가라앉는현상은부력이라는개념으로물리영역에서다루지만, 밀도개념과도관련되어있 기때문에화학영역에속하는중학교 물질의특성 단원에서도오랫동안다루었다. 1 따라서부력이라는개념은물리와화학영역이중첩되는부분이라고볼수있다. 전통적으로화학영역에서는뜨거나가라앉는현상을밀도차로 -11-

2 뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 113 다루었는데, 교육과정개정과관계없이다루는범위 (scope) 는큰차이가없었으며, 다만계열성에서중학교 -3학년사이의작은변화만있었다. 물리에서는수압차로부력을제시하는데, 화학과달리 7차교육과정에서는초등학교 6 학년, 007 개정교육과정에서는중학교 1학년, 009 개정교육과정고등학교물리 I에서다루고있다. 이처럼물리교육과정변천에서부력개념을도입하는대상학년에대한변화의폭이큼에도불구하고수압차로설명하는방식에서는큰변화를보이지않았다. 단지학년이높아지면파스칼의법칙등을도입하여정량적사고를유도하고, 낮은학년에서는사고의복잡성을피하기위하여유체는물로한정하고물체에작용하는부력을물질의고유한성질처럼다루었다. 유체속에서물체에작용하는차별적압력을계산하기위해필요한파스칼법칙은저학년학생들이이해하기어려운수준의설명방식이기때문이다. 즉, 낮은학년에서는부력이큰물질은뜨고, 작은물질은가라앉는다는설명으로범위 (scope) 를한정하였다. 이러한사고가확장되면학생들은뜨거나가라앉는현상을물질의고유한성질로인식할가능성이높다. 6 특히 009 개정교육과정에서개발되어현재사용하고있는초등학교 3학년 물질의성질 단원에서는뜨거나가라앉는현상을물질의성질로제시함으로써이러한오류를강화시키고있다. 7 그리고이러한내용은 015 개정교육과정의초등학교 3-4학년군교육내용에서도큰변화없이지속될예정이다. 8 부력개념에관한많은선행연구에서초등학교부터대학생들까지대안개념을가지고있을뿐아니라 4,9 13 이를지도하는교사들조차도다양한대안개념을가지고있다는것 14,15 을밝혔다. 또한학생들의밀도개념발달에관한연구들에서도개념의분화가제대로일어나지않거나 16,17 형식적조작기에도달하거나, 18 0 무게와부피의보존개념이형성된후에야비로소밀도개념형성이가능함 1 을밝혔다. 최근에밀도개념을도입함으로써부력개념의이해를돕는교수효과에대한연구,3 가제시되었으나, 주로초등학교와중학교영재학생들에초점을두었으며중력의개념과관련지은수업은아니었다. 뜨거나가라앉는현상을설명하는근본원리는지구가잡아당기는힘인중력이다. 4 비록중력의개념은중학교 1 학년물리에서다루지만, 중학교뿐아니라고등학교학생들조차도중력에대한과학적개념형성에어려움을겪는것으로나타나고있다. 5,6 뿐만아니라대부분의교과서에서뜨고가라앉는현상을중력과관련하여설명하고있지않는다. 7 9 중학교화학에서뜨고가라앉는현상을밀도차개념으로설명할때에도물체의밀도와중력을연결하여부력을설명하는시도는지금까지이루어지지않았다. 고등학교에서는물리단원에서부력의크기를계산할때중력가속도의개념을도입하지만, 이계산식을도출하기위해사용하는압력이란개념은중력없이도존재할수있기때문에수압차로설명하는방식에서는중력의개념이크게다루어지지않는다. 과거에는특정학년에제시된과학개념을학생들이이해하지못하는비율이높으면, 이를학습자수준의문제로판단하고교육과정의수직적조직에해당하는계열을바꾸는방식을고수하였다. 그예중의하나가부력개념이다. 이개념은초등학교와중학교에제시할때마다학습자의이해에어려움이제기되어다시고등학교로올라가기를반복하였지만, 이러한변화를통해학습자의이해를향상시키는효과를보지는못하였다. 학생들의이해에서발생하는어려움을이유로, 실생활에가장친숙한뜨고가라앉는자연현상의과학적설명을학생들에게도입하려는노력을포기할수는없다. 이연구에서는부력의개념을파스칼법칙을통해압력을도입하는고등학교물리교과의전통적인수업이학생들에게어려운이유는중력에대한개념부재와관련이있다고보았다. 따라서학생들이자연현상의근본원인에대한이해없이현상을정량적인수식으로만배우는기존의고등학교설명방식의문제점을해결하기위하여, 중학교화학영역에서접근하는설명방식인밀도개념과중학교물리영역에서도입하는중력개념을연결한새로운설명방식의교육적효과를알아보고자하였다. 이러한설명방식의변화를통해뜨고가라앉는현상에대한학생들의이해가높아진다면, 지금까지교육과정개정에서암묵적으로전제한바와같이학생들이어려워하면수직적계열을높이는방식의시도를버리고, 학생들이보다깊이있게자연현상을이해할수있는적절한설명방식의변화를위해노력을기울이는계기를제공해줄것이다. 연구방법연구대상본연구의실험대상은강원도춘천시에소재한한남녀공학인 A고등학교 학년자연계열 4개학급 (N=140명) 이다. 연구를위해 개학급씩나누어실험집단과비교집단을선정하였으며, 압력을도입하는설명방식은 009 개정과학과교육과정물리Ⅰ에서제시되기때문에물리 I 수업시간을활용하였다. 이때압력의차이로설명하는수업을비교집단학생들에게는제시하였으며, 밀도와중력을연결한수업을실험집단학생들에게제시하였다. 두집단의연구대상자는 Table 1과같다.

또한준실험설계에서가장최선의대안으로고려되는비동등비교집단전후검사설계 (nonequivalent comparison group design with pretest and posttest) 를설계하였다. 30 물리 I 수업에서부력에관련된내용은 'IV. 에너지 단원의. 힘과에너지의이용 중단원중 03. 유체의법칙과이용 소단원내용에해당한다.

두번째주에서는 1 차시씩나누어실험집단과비교집단의수업을진행하였다. 첫째차시에비교집단은물리Ⅰ 교과서에서제시한방식에따라서파스칼법칙을이용하여압력으로설명하는수업을진행하였다. 실험집단은밀도와중력을연계한설명방식으로수업을진행하였다. 또한유체의밀도와물체의밀도를비교하여부력의상대적크기를이해하는수업을진행하였다.

Classes in the experimental group and the comparative group Step Experimental group Comparative group 1 Comparison of masses by the same volume (density 1 Exploring the Pascal s Law concept) using

3 114 김성기 김석원 백성혜 Table 1. Participants Experimental group Comparative group Number of classes Number of male Students female Total students 실험설계본연구는학급을기준으로두개의집단을구분하는준실험설계 (quasi experiment) 로구성하였다. 또한준실험설계에서가장최선의대안으로고려되는비동등비교집단전후검사설계 (nonequivalent comparison group design with pretest and posttest) 를설계하였다. 30 물리 I 수업에서부력에관련된내용은 'IV. 에너지 단원의. 힘과에너지의이용 중단원중 03. 유체의법칙과이용 소단원내용에해당한다. 이소단원에서는 유체속에서의압력, 아르키메데스법칙, 물질의비중과부력, 파스칼법칙 등을다룬다. 이소단원에해당하는고등학교수업은 평균적으로 시간이므로, 실험집단과비교집단의수업도총 차시로진행하였다. 물리수업은매주 1차시씩 회로구성되었으므로, 본연구는 3주에걸쳐수행되었다. 첫째주에는 1차시동안두집단에대해사전검사를실시하였다. 두번째주에서는 1 차시씩나누어실험집단과비교집단의수업을진행하였다. 첫째차시에비교집단은물리Ⅰ 교과서에서제시한방식에따라서파스칼법칙을이용하여압력으로설명하는수업을진행하였다. 실험집단은밀도와중력을연계한설명방식으로수업을진행하였다. 또한유체의밀도와물체의밀도를비교하여부력의상대적크기를이해하는수업을진행하였다. 이때실험집단에서는압력의개념없이부력개념을도입하기위해관련된실험영상을활용하였다. 직접실험을하는대신영상을활용한이유는짧은시간안에다루고자하는내용을모두포함하기위해서였다. 둘째차시에는두집단모두동일하게배운개념을적용하는수업을진행하였다. 이후셋째주의한차시동안두집단모두사전검사와동일한사후검사를실시하였다. 두집단에 Table. Classes in the experimental group and the comparative group Step Experimental group Comparative group 1 Comparison of masses by the same volume (density 1 Exploring the Pascal s Law concept) using video Concept exploration Comparison of phenomena on earth and in space (gravity concept) 3 Comparison of densities between fluid and an object using video Water pressure calculation using Pascal's law P = ρgh 3 Introduction of buoyancy equation Concept application 4 Introduction of buoyancy equation F b = ρgv 1 Archimedes s Law Helium balloon movement in the air 3 The different buoyancies between pure water and seawater 4 Cartesian diver F b = PA = ρgha = ρgv Journal of the Korean Chemical Society

뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 115 투입된수업은 Table 에비교하여제시하였다. 비교집단에서이루어진설명방식은단순히물체에작용하는수압을고려하여물체가뜨는지또는가라앉는지에대한결과판정에초점을두었다.

이 러한설명을통해서는물속에있는물체가물위에떠있는물체보다더큰부력을받는다는것을이해하지못할수있다. 물위에떠있는물체는잠긴부피가더작기때문에물속에잠긴물체보다더작은부력을받지만, 떠있는현상만으로더큰부력을받아서떠있다고생각할가능성이높기때문이다.

Content Logist What happens when you put a metal ball and a wooden ball of the same weight in water? Write the reason why you think so. 1-0.

Characteristics of matter -0.4 What happens when you put a boat and a ball made by aluminum foil with 5 small stones in water?

What happen when we put it in water? Write the reason why you think so. 0.

4 뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 115 투입된수업은 Table 에비교하여제시하였다. 비교집단에서이루어진설명방식은단순히물체에작용하는수압을고려하여물체가뜨는지또는가라앉는지에대한결과판정에초점을두었다. 예를들어위에서누르는수압보다아래서작용하는수압이더커서물체가뜬다고설명하거나, 아래에서작용하는수압때문에물체가뜬다고설명하는방식이다. 그리고물체아래에서작용하는수업과부력을연결하여이해하도록제시하고있다. 이 러한설명을통해서는물속에있는물체가물위에떠있는물체보다더큰부력을받는다는것을이해하지못할수있다. 물위에떠있는물체는잠긴부피가더작기때문에물속에잠긴물체보다더작은부력을받지만, 떠있는현상만으로더큰부력을받아서떠있다고생각할가능성이높기때문이다. 따라서새로운설명방식은이러한결과중심의단편적인사고의오류를방지하기위하여뜨거나가라앉는전체 Table 3. Items of the questionnaire Factor Item No. Content Logist What happens when you put a metal ball and a wooden ball of the same weight in water? Write the reason why you think so What happens when you put a bottle filled with water and an empty bottle of the same size in water? Write the reason why you think so. Characteristics of matter -0.4 What happens when you put a boat and a ball made by aluminum foil with 5 small stones in water? Write the reason why you think so The lever is horizontal in the air when we hang the same weights with different lengths. What happen when we put it in water? Write the reason why you think so Relationship between object and water 5 The lever is horizontal in the air when we hang the same weights with same lengths. What happens when we put it in the water of two different size beakers? Write the reason why you think so The lever is horizontal in the air when we hang the same weights with different shapes. What happen when we put it in water? Write the reason why you think so. 0.9

5 116 김성기 김석원 백성혜 과정에대한이해를보여주었다. 이를위하여물체에작용하는중력의크기와물과물체의상대적무게인밀도차의개념을연계하는것이중요하다고판단하였다. 이러한연계를통해부력이큰경우는물체가유체한가운데에있는상황이며, 이미뜬상황은오히려상대적으로부력이작아진다는것을인식할수있게하였다. 이를위하여처음에물체의무게변화는물에잠긴정도와관련된다는것을보여주고, 그다음에같은물체라도매질의밀도가달라지면뜨고가라앉는현상이달라짐을보여주어서매질의밀도와물체의밀도의상대적크기에따라뜨고가라앉는현상이달라진다는것을이해하도록구성하였다. 본연구는사전검사와사후검사로동일한검사도구를사용하였지만, 실험집단과비교집단의수업과관련되지않은내용으로구성하여, 실험집단의수업에따른사후검사결과의영향을배제하고자노력하였다. Table 의수업내용과 Table 3의검사도구를비교하면이를확인할수있다. 또한동일한검사지를실험집단과비교집단에모두제시하여두집단의차이를비교함으로써사전검사의간섭효과를통제하고자하였다. 검사도구이연구에서는뜨고가라앉는현상에대해학생들의학습발달과정을알아보기위해제작된검사지 31 를수정하여사용하였다. 이검사지는총 15문항으로구성되어있으며, 모두개방형질문이다. Rasch모형을이용하여 1,017명의초등학교학생부터대학생까지를대상으로실시한연구에서각문항의난이도에해당하는문항별로지스트는 0.83~0.59이었다. 선행연구 31 에의해개발된 15개문항에대한요인을알아보기위해원데이터를이용하여분석한결과, 개의요인으로문항이구성되었음을확인하였다. 개의요인은지레를제시하지않고현상을예측하는문항과지레를제 시하고지레의움직임을예측하는문항으로구분되었다. 선행논문 31 에서 지레를제시하지않고현상을예측하는문항 에대한학생응답의키워드를분석한결과, 학생들의대안개념 14,15,3 37 인 공기가있어서, 재질로인해서 등물질의특성에초점을둔답변이많았다. 반대로 지레를제시하고지레의움직임을예측하는문항 에서나타난학생의대안개념은 더깊은물에담긴물체가더무겁다., 물체의모양이달라지면물속에서뜨는현상이달라진다., 물의양이많아지면부력이달라진다. 등과같이물체와물체를둘러싼유체를동시에고려하는답변이많았다. 따라서본연구에서는 지레를제시하지않고현상을예측하는문항 을 물질의특성 과관련된문항으로, 지레를제시하고지레의움직임을예측하는문항 을 물과물체의관계 에대한문항으로명명하였으며, 이두요인으로나누어문항에대한두집단의차이를분석하였다. 본검사도구가초등학교부터대학생까지의학습발달과정을연구하기위한목적으로제작된점을고려하여고등학교수준에지나치게쉬운문항과묻는성격이유사한문항을삭제하여각요인별로 3개문항씩총 6개문항을선정하였다. 이러한선정의타당성을확인하기위하여과학교육박사 1인과현직교사 인의검토를받았다. 선정된문항의로지스트 (Logist) 값과문항에대한내용은 Table 3에제시하였다. 문항에대한 Cronbach α는.755이었으며, Rasch 를이용하여계산된문항신뢰도는.95이었다. 각문항별 Infit MNSQ값과 Outfit MNSQ값은.9~1.08로, 사용하기적합한문항으로판정하였다. 자료수집및분석수집된사전, 사후검사지의응답은학습발달단계에맞게 0~4점의부분점수평정법 (Partial credit model) 으로채점되었다. 31 Table 4에채점기준과사례를제시하였다. 이렇게채점된원점수는서열척도이므로통계적분석이가 Table 4. Scoring by partial credit model Score Category Key word Example 0 No answer - - Characteristics of matter Material/shape Because of wood/ Because of the shape Simple mention of basic concepts Weight/volume/surface Because wood is light./ Because wood is large. 1 Incomplete understanding of basic Because larger thing is heavier. / The water pressure of Volume/weight/water pressure concepts upside is larger than downside. Iron sinks and wood floats because the weight of iron is Understanding of basic concept Volume/weight heavier than that of wood. Simple mention of upper concept Density/buoyancy It sinks because the density is large. Combination of basic concepts Weight/volume Because iron is heavier than wood of the same volume. 3 Incomplete understanding of upper concept Density/buoyancy Iron sinks because the density is larger than that of wood. 4 Scientific concept Difference of density/comparison of gravity and buoyancy Iron sinks because the gravity is larger than buoyancy of Iron sinks because the density is larger than that of water. / iron Journal of the Korean Chemical Society

6 뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 117 능한비율척도로환산하기위해 Rasch모형이적용되는 Winstep 프로그램을활용하였다. 본연구의독립변수는수업유형 ( 실험집단과비교집단 ) 이며, 종속변수는사후검사점수이다. 본연구는준실험설계이기때문에두집단에대한동질성을확보하지못한다 30 는문제를해결하기위해서사전검사점수를공변수로하여종속변수인사후검사점수를통계적으로조정하여효과를검증하는공변량분석 (ANCOVA) 를실시하였으며, 통계처리는 IBM SPSS Statistics 0 프로그램을활용하였다. 공변량분석에요구되는통계적가정은독립성, 정규성, 등분산, 기울기동일성등이다. 각집단의표집수가 30명이상인경우, 중심극한정리를적용할수있기때문에정규성가정을충족하였다고판단하여별도의가정체크를실시하지않았다. 등분산가정은 Levene의등분산가정검정을이용하였으며, 기울기의동일성가정은공변수와독립변수간의상호작용여부로확인하였다. 두집단의통계적검증과별도로각문항에대표적인대안개념의빈도변화추이도함께분석하였다. 독립변수의통계적유의성을확인한후, 통계적으로유의미하다고판단되는문항에대해효과크기를산출하였다. 통계적유의성은사례수가커짐에따라통계적으로유의할확률이높기때문에, 사례가많은경우단순히통계적유의성만분석하기보다는효과크기를구하여연구결과가실제로도의미가있는지를알아볼필요가있다. 본연구에서는효과크기를산출하기위해다음과같은 Hedege 의 g값을구하는공식을이용하였으며, 효과크기는 Cohen 38 에따라 0.0 정도는작은효과, 0.50 정도는중간크기효과, 0.80 정도는큰효과로해석하였다. x g 1 x = s * s * ( n 1 1)s 1 +( n 1)s = n 1 + n x 1, x : 집단 1, 집단의평균 s 1, s : 집단 1, 집단 의조정전분산 연구결과및논의물질의특성과관련된문항에서두집단의점수비교 ANCONA에요구되는가정중 Leven의등분산가정을충족하였으며, 사전검사와집단간의상호작용 ( 사전검사 * 집단 ) 은통계적으로유의하지않았으므로기울기동일성에대한가정역시충족되었다. 이로서사전검사점수를공변수로, 집단을독립변수로, 사후검사점수를종속변수로하는공분산분석을실시하기위한통계적가정이성립되었다. 이후실시한 ANCOVA 결과는 Table 5와같다. 무게가동일하지만크기와재질이다른두물체를비교하는 1번문항은난이도를나타내는능력로지스트가 0.49로, 본검사지의문항중에서가장쉬운문항이었다. 따라서다른문항에비해사전검사에서높은점수를나타내었다. 두집단모두사전검사평균점수에비해사후검사의조정된평균점수가높았다. 사후검사의조정된평균점수에대한두집단간차이는통계적으로유의미하지않았다 (F=.970, p>.05). 유리병물체속의물질 ( 물또는공기 ) 의차이를비교하는 번문항역시사전검사의평균점수에비해사후검사의조정된평균이 0.5점이상상승하였으며, 두집단간통계적차이는유의미하지않았다 (F=1.16, p>.05). 같은재질의물질모양을변화시켰을때의차이를비교하는 3번문항은난이도를나타내는능력로지스트가 0.0으로어려운문항에속한다. 그렇기때문에두집단모두사전검사에서 1.40, 1.37로낮은점수를보였다. 수업을진행한이후두집단모두사후검사에서조정된평균점수가상승하였으며, 두집단간통계적차이는유의미하였다 (F=5.489, p<.05). 이에대한효과크기를나타내는 Hedges의 g값은.37로, Cohen에따르면이는작은효과크기에해당한다. 따라서밀도와중력을도입한새로운방식의수업효과는통계적으로유의미하지만, 두집단모두많은학생들이여전히사후검사에서도상당히높은비율로불완전한개념을가지고있음을알수있었다. 물질의특성과관련된 3개의문항중에서두집단의통계적차이를보이는문항은난이도가가장높은 1개문항이었으며, 큰효과크기를보이지않았다. 이를통해이연 Table 5. The results of ANCOVA in the items related to characteristics of matter No. Group Pretest Posttest Mean S.D. Mean S.D. Estimated mean Item 1 Experiment Comparison Item Experiment Comparison Item 3 Experiment Comparison p Hedges' g *.37

7 118 김성기 김석원 백성혜 Table 6. The results of ANCOVA in the items related to relative weights between object and water No. Group Pretest Posttest Mean S.D. Mean S.D. Estimated mean Item 4 Experiment Comparison Item 5 Experiment Comparison Item 6 Experiment Comparison p Hedges' g.000 *** *** *.86 구에서제안한밀도와중력을연계한수업은물질의특성과관련된개념사고에는큰영향을미치지못함을알수있다. 본연구에서새로도입한수업방식은학생들의대안개념을변화시키는데효과를나타내지못하였음을알수있다. 물과물체의상대적무게에관련된문항에서두집단의점수비교물과물체의상대적무게관계와관련된문항에서도 ANCONA에요구되는가정이충족되었다. 이후실시한 ANCOVA 결과는 Table 6과같다. 물과물체의상대적무게에관련된문항의로지스트값은 0.6~0.38로상대적으로물질의특성과관련된문항보다어려운것으로나타났다. 문항 4번 ~6번모두사전검사의평균점수는 1점중반으로낮았다. 그러나문항별변화추이를보면두집단의차이는모두통계적으로유의미하였다. 물체의물에잠긴깊이를변화시켰을때의차이를비교하는 4번문항에서사후검사의조정된평균점수를보았을때, 두집단간에통계적으로유의미한차이가나타났다 (F=10.575, p<.000). 수업에대한효과크기를나타내는 Hedges의 g값은.497로중간정도의효과크기를보였다. 물체가잠긴물의양에따른차이를비교하는 5번문항역시사후검사의조정된평균점수가두집단간에통계적으로유의미하게나타났다 (F=14.758, p<.000). 이문항에대한수업효과를나타내는 Hedges의 g는.50로 4번문항과 유사하게중간정도의효과크기를보였다. 동일한물체이지만물속에놓여진물체의모양의따른차이를비교하는 6번문항에서실험집단의조정된평균점수는비교집단에비해통계적으로유의미하게높았다 (F=6.608, p<.05). 이문항에서수업에대한효과크기를나타내는 Hedges의 g는.86으로작은효과크기를나타내었다. 따라서전반적으로이연구에서새로도입한수업방식은물과물체의상대적무게에관련된문항에서학생들의대안개념을변화시키는데효과적임을알수있다. 물과물체의상대적무게에관련된문항들은물질의특성에관련된문항들보다상대적으로어려운문항이었으며, 상대적으로어려운문항에서교육적효과가더크게나타났다는점은이수업의가치를보여주는것이라고할수있다. 구체적으로어떤대안개념들이수정되는데수업이효과적이었는지알아보기위하여채점기준에따라사전검사와사후검사의변화를비교하여 Table 7~10에제시하였다. 문항 4에서통제집단과실험집단을비교하였을때, 수업이영향을미친가장큰대안개념은수압과관련된생각이었다. 수압으로부력을설명한통제집단의경우에는사전검사에서 37.1% 가사후검사에서 8.6% 로변화하였지만, 밀도와중력의개념으로부력을설명한실험집단의경우에는사전검사에서 31.4% 가사후검사에서 14.3% 로수압에대한대안개념이크게줄어들었다. 문항 5에서통제집단과실험집단을비교하였을때, 수 Table 7. Pretest and posttest between comparative group and experimental group according to score in Item 4 Number (%) Score Category Key word Comparative group Experimental group Pretest Posttest Pretest Posttest Weight 9(1.9) 3(4.3) 16(.9) 1(1.4) 1 Incomplete understanding of basic concepts Air pressure (.9) 1(1.4) 5(7.1) 1(1.4) Water pressure 6(37.1) 0(8.6) (31.4) 10(14.3) Understanding of basic concept Weight 7(10.0) 0(0.0) 4(5.7) 0(0.0) Simple mention of upper concept Buoyancy 1(17.1) 13(18.6) 13(18.6) 1(17.1) 3 Incomplete understanding of upper concept Buoyancy 9(1.9) 7(10.0) 8(11.4) 9(1.9) 4 Scientific concept Comparison of gravity and buoyancy 5(7.1) 6(37.1) (.9) 37(5.9) Journal of the Korean Chemical Society

8 뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 119 Table 8. Pretest and posttest between comparative group and experimental group according to score in Item 5 Number (%) Score Category Key word Comparative group Experimental group Pretest Posttest Pretest Posttest Position 0(8.6) 9(1.9) (31.4) 4(5.7) Simple mention of basic concepts 1 Amount of water 19(7.1) 14(0.0) 17(4.3) 14(0.0) Incomplete understanding of basic concepts Water pressure 1(1.4) 6(8.6) 11(15.7) 1(1.4) Understanding of basic concept Density 8(11.4) 11(15.7) 7(10.0) 6(8.6) Simple mention of upper concept Buoyancy 17(4.3) 14(0.0) 9(1.9) 9(1.9) 3 Incomplete understanding of upper concept Buoyancy and surface contacted with water 3(4.3) 0(0.0) 3(4.3) 4(5.7) 4 Scientific concept Buoyancy and submerged volume (.9) 16(.9) 1(1.4) 3(45.7) Table 9. Pretest and posttest between comparative group and experimental group according to score in Item 6 Number (%) Comparative group Experimental group Score Category Key word Pretest Posttest Pretest Posttest Simple mention of basic concepts Position 8(11.4) 3(4.3) 8(11.4) 1(1.4) 1 Surface 36(51.4) 5(35.7) 37(5.9) 14(0.0) Incomplete understanding of basic concepts Water pressure 4(5.7) 6(8.6) 3(4.3) 0(0.0) Understanding of basic concept Density 7(10.0) 3(4.3) 10(14.3) 6(8.6) Simple mention of upper concept Buoyancy (.9) 0(0.0) (.9) 8(11.4) 3 Incomplete understanding of upper concept Buoyancy and surface contacted with water 7(10.0) 5(7.1) 6(8.6) 7(10.0) 4 Scientific concept Buoyancy and submerged volume 6(8.6) 8(40.0) 4(5.7) 34(48.6) 업이영향을미친가장큰대안개념은위치와수압과관련된생각이었다. 수압으로부력을설명한통제집단의경우에는모두같은위치의물에잠겨있기때문이라고응답한학생들이사전검사에서는 8.6% 이었으나사후검사에서는 1.9% 로변화하였다. 그리고수압으로설명하는대안개념은 1.4% 에서 8.6% 로오히려증가하였다. 그러나밀도와중력의개념으로부력을설명한실험집단의경우에는위치로설명한학생들이사전검사에서는 31.4% 였으나사후검사에서 5.7% 로크게감소하였다. 수압으로설명하는대안개념도 15.7% 에서 1.4% 로크게감소하였다. 따라서이연구에서제시한수업은실험집단의위치와수압에대한대안개념을줄이고과학적개념으로변화하는데효과적임을확인할수있다. 문항 6에서통제집단과실험집단을비교하였을때, 수업이영향을미친가장큰대안개념은표면과수압에관련된생각이었다. 표면으로부력을설명한통제집단의경우에는물이아래에서떠받쳐주는면적이더넓기때문에부력을더크게받는다고응답한학생들이사전검사에서는 51.4% 이었으나사후검사에서는 35.7% 로변화하였다. 그리고수압으로설명하는대안개념은 5.7% 에서 8.6% 로오히려증가하였다. 그러나밀도와중력의개념으로부력을설명한실험집단의경우에는표면으로설명한학생들이사전검사에서는 5.9% 였으나사후검사에서 0.0% 로크게감소하였다. 수압으로설명하는대안개념도 4.3% 에서 0% 로감소하였다. 그대신 부력이같아서수평을유지한다. 와같은단순한상위개념언급수준의응답률은.9% 에서 11.4% 로증가하였다. 따라서이연구에서제시한수업은실험집단의물이아래에서떠받혀주는면적과수압에대한대안개념을줄이고보다상위개념이나과학적개념으로변화하는데효과적임을확인할수있다. 결론및제언본연구에서는부력개념에대한학생들의이해수준을근거로교육과정이바뀔때마다부력개념을도입하는학년의변화폭이컸다는점에주목하고, 뜨고가라앉는현상에대해보다안정적으로고등학교학생들이이해할수있는수업을도입하여그효과를알아보고자하였다. 이를위해뜨고가라앉는현상의근본원인인중력과물질의특성인밀도개념을연계한새로운방식의설명을제안하였으며, 수업전후에학생들의이해와대안개념의변화를분석하였다. 연구결과, 물질의특성에관련된쉬운문항에서는새로운설명방식을도입한수업의효과가미미하였으나, 물과물체의상대적무게에관련된어려운문항의경우에는교육적효과가뚜렷하게나타났다. 다만이연구의설계과정에서 pretest-treatment interaction의가능성을무시할수없으므로나타난결과에대한해석에제한점이따른다.

9 10 김성기 김석원 백성혜 이연구에서제안한새로운설명방식은기존의설명방식이갖는한계점을해결할수있어야한다. 이연구에서는중력과밀도를연계한설명을도입하였으며, 이것은각각을독립적으로제시할때와는다른장점을가진다. 우선화학영역에서도입하는밀도는뜨거나가라앉는현상에대한결과를쉽게예측한다는장점이있지만, 뜨거나가라앉는현상에대한근본원리를제공하는것에는미약했다. 뿐만아니라밀도는스칼라량에해당하지만, 뜨거나가라앉는현상은벡터량과관련된현상이다. 그렇기때문에밀도차로설명하는것은물리량에서불일치의문제가생긴다. 이러한점도밀도만으로뜨는현상을설명할때학생들의이해에어려움을주는원인이될것이다. 기존의설명방식이갖는한계점을해결하기위하여이연구에서는중력과밀도의개념을연계한설명방식을제안하였고, 그효과를확인하였다. 뜨거나가라앉는현상은물체와밀린유체의차별적인중력차이에의해일어난다. 즉, 큰중력을받은것이아래로, 더작은중력을받은것이위로움직이는것이다. 이러한차별적중력은밀도차로설명하는방식의근본원리를제공할수있다. 밀도차란결국동일부피에서질량의차이를보는것이며, 이질량의차이는차별적중력과연결되기때문이다. 이러한새로운설명방식의교육적효과에대한연구결과를토대로다음과같은결론을내릴수있다. 첫째, 물질의특성과관련된문항에서는학생들이물질의특성과연계된대안개념을가지고있었으며, 밀도와중력을연계한설명을도입한수업이큰효과를나타내지못하였다. 그이유는새로운설명방식에서도물질의특성으로밀도를도입하였기때문에학생들이이와관련하여가지고있는대안개념을버리는데도움을주지못한것이다. 이러한문제를해결하기위해서는뜨거나가라앉는현상을다룰때, 다루는물질을순물질이아닌혼합물로확대하여물질의고유한성질이라는대안개념이고착화되지않도록노력을할필요가있다. 둘째, 물과물체의상대적무게에관련된문항에서학생들은압력과관련된대안개념을상당수갖고있었으며, 기존의압력을이용한수업은이러한대안개념을과학적개념으로보정하는데역할이미미하였다. 하지만중력과밀도의개념을연계한새로운설명방식의수업은학생들의대안개념을없애는데상당히큰영향을미쳤다. 물질의특성과관련된문항과달리물과물체의상대적무게에관련된문항에서이러한교육적효과를보인이유는문항의난이도와도관련이있는것으로나타났다. 즉, 낮은수준의문제상황에서는기존의압력을이용한설명방식만으로도해결이가능하지만, 높은수준의문제상황에서는기존의설명방식이한계를가짐을확인할수있었다. 고등학교 학생들의경우높은수준의이해를요구하는데에도불구하고압력과관련된설명방식을고수하면서파스칼의법칙처럼정량적으로정교화된공식만을제시하여학생들의이해수준을높일수있다고생각하는것은문제라고본다. 이연구의결과를토대로뜨거나가라앉는현상을보다학생들이높은수준으로이해할수있게하기위해서는학생들의대안개념을없앨수있는새로운설명방식의도입을제안하였다. 그후에정량적인사고를유도하는것이뜨고가라앉는현상에대한교육적효과를높이는방안일것이다. Acknowledgments. Publication cost of this paper was supported by the Korean Chemical Society. REFERENCES 1. Lee, S. H.; Paik, S. H. J. Kor. Ass. Sci. Educ. 013, 33, 30.. Leuchter, M.; Saalbach, H.; Hardy, I. J. Sci. Educ. 014, 36, Hadjiachilleos, S.; Valanides, N.; Angeli, C. Res. Sci. Tech. Educ. 013, 31, Sari, h-n. International J. of Sci. Educ., 005, 7, Yin, Y. Sci. scope, 01, 35, Andreani Dentici, O.; Grossi, M. G.; Borghi, L.; Ambrosis, A. D.; Massara, G. I. Europ. J. Sci. Educ. 1984, 6, Korea Foundation for the Advancement of Science and Creativity. Science 3-1, Ministry of Education. 015 Revised Curriculum: Elementary school science, Song, M. S. Master thesis of Korea National University of Education, Kwon, S. G; Kim, J. E. Elementary Sci. Educ. 007, 5, Seo, H. C. Master thesis of Korea National University of Education, Sin, H. S. Master thesis of Korea National University of Education, Solano-Flores, G.; Shvelson, R. J.; Ruiz-Primo, M, A.; Schults, S. E.; Wiley, E, W.; Brown. J. H. ERIC Document Production service No. ED , Lee, H. C.; Lee, S. J. Elementary Sci. Educ. 000, 19, Park, J. W.; Won, J. A.; Paik, S. H. Elementary Sci. Educ. 007, 6, Piaget, J. The child's conception of the world. Paladin: London, Smith, C.; Carey, S.; Wiser, M. Cognition, 1984, 1, Lawson, A. E.; Weser, J. Annual Conference of the National Association for Research in Science Teaching, San Francicso. April, IInhelder, B.; Piaget, J. The growth of logical thinking, Routledge & Kegan Paul Ltd., Journal of the Korean Chemical Society

10 뜨고가라앉는현상에대해중력과밀도를연계한설명방식이학생의대안개념에미치는영향 Renner, J. W.; Abraham, M. R. J. of Res. in Sci. Teaching, 1990, 7, Novak, J. D. A Theory of education, Cornell University press, Lee, S. J.; Park, I. W. Sci. Gifted Educ., 01, 4, Lee, S. D.; Min, H. J.; Paik, S. H. Teacher Educ. Res. 01, 51(), Hecht, E. Physics: calculus, Thomson, Ruggiero, S.; Cartelli, A.; Dupre, F.; Vicentini-Missoni, M. Europ. J. Sci. Educ. 1985, 7, Palmer, D. J. Sci. Educ. 001, 3, Lee, M. W.; Kwon, S. M.; Kim, K. S.; Lee, H. N.; Chae, K. P.; Kwak, Y. J.; Kang, C. H.; Ha, Y. K.; Jo, H. S.; Jo. E. M.; Kwon, Y. J.; Lee, I. S.; Kim, D. J. Middle school science ; Kumsung: Seoul, Lee, J. S.' Song, S. J.; Hong, J. E.; Kim, H. S.; Park, Y. O.; Jung, D. H.; Im, H.; Park, K. T.; Park, M. S.; Kim, S. H.; Park, S. Y.; Lee, S. Y. Middle school science ; Donga publishing: Seoul, Park, H. S.; Jung, D. Y.; Sin, H. S.; Kim, J. H.; Huh, S. I.; Jo. S. I.; Yoo, J. N.; Lee, H. W.; Kim, J. Y.; Lee, S. J.; Choi, B. S.; Kang, S. C.; Oh, S. H. Middle school science ; Kyohaksa: Seoul, Shadish, W. R.; Cook, T. D.; Campbell, D. T. Experimental and quasi-experimental designs for generalized causal inference, Mifflin and Company, Song, G. L. Master Thesis, Korea National University of Education, Kim, E. Y. Kor. J. Early Childhood Educ. 01, 3, Baik, E. J.; Song, E. Y. J. Kor. Open Ass. Early Childhood Educ. 009, 14, Lee, J. H.; Kim, S. Y. Kor. J. Early Childhood Educ. 003, 3, Jo, B. K.; Paik, S. H.; Lee, E. J. Kor. J. Early Childhood Educ. 005, 5, Jo, B. K.; Lee, E. J. Kor. J. Early Childhood Educ. 011, 31, Kim, I. Y.; Kim, J. N. J. Sci. Edu. 01, 36, Cohen, J. Statistical power analysis for the behavioral sciences, nd ed., Hillsdale, 1988.

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