비구조화된 실질적 문제 해결 중심의 과학탐구에서 논변기반 문제 해결 과정의 이해

Abstract

과학 교과의 핵심적인 목표는 우리 주변의 문제들에 대해 비판적이고 합리적으로 사고하여 해결할 수 있고, 과학적 소양을 갖춘 시민을 양성하는 것이다. 과학적으로 문제 상황을 해석하고 현상을 설명할 수 있는 학습의 한 방법으로, 과학 탐구는 오랜 기간 동안 연구되고 사용되었다. 과학자들이 수행하는 활동은 현상에 대해 조사하고 타당한 설명을 구성하는 과정과 다른 과학자들에게 자신의 주장을 설득하고 정당성을 획득해 합의에 이르는 과정을 포함한다. 본 연구에서는 과학자들이 수행하는 탐구의 특성을 학습자들을 위한 탐구로 적용할 수 있는 방안을 탐색하였다. 이를 위해 이론과 증거가 일치하지 않는 상황의 문제를 강조한 탐구활동을 개발하고 적용 사례를 통해 드러난 쟁점들을 확인하였다. 쟁점들을 토대로 실질적인 사고를 촉진하여 문제를 해결할 수 있는 탐구를 제안하였다. 첫 번째 연구는 총 21명의 대학생이 과학적 맥락의 문제를 해결하기 위해 탐구를 수행한 결과를 분석하여 문제 해결을 위한 전략을 확인하였다. 참여자들은 닫힌 공간 안에 물과 소금물이 충분한 시간 동안 유지된 상태에서 어떤 결과가 나타날 것인가에 대한 문제를 6주에 걸쳐 해결하였다. 이 문제에 대한 탐구 과정, 예상과 결과가 다를 때의 이론과 증거의 조정과정을 분석한 결과에 의하면, 10개 집단 중, 9개의 집단은 실험 최적화 전략을 활용하였다. 이론에 부합하는 실험증거를 획득하기 위한 실험 최적화 전략은, 이론을 기반으로 수집한 자료를 평가하여 증거를 수정하는 인식적 활동에 해당했다. 한 소집단은 현상에 대해 차별화된 설명 모형을 검증하기 위한 확장된 문제 형성 전략을 이용했다. 이를 기반으로 문제 현상에 대해 다른 소집단과 차별화된 결과를 제시하여 실세계를 반영한 이해에 도달했다. 확장된 문제 형성 전략은 증거를 패턴으로 일반화하는 과정을 거쳐, 증거 기반의 평가를 통해 문제를 정의함으로써 이루어졌다. 실험 최적화 전략 집단은 개선된 실험 결과 획득을 돕는 실험 방법과 과정을 공유하기 위하여 실험실 내 담화를 이용한 반면, 확장된 문제 형성 전략 집단은 자료나 증거를 수집하고 평가하기 위하여 담화를 이용하는 차이점을 드러냈다. 연구 결과를 통해 자료, 증거, 이론과 같은 요소를 평가하고 분석하기 위한 목적으로 의사소통 할 수 있는 교수학습 전략이 필요함을 확인하였다. 두 번째는 논변활동을 촉진하기 위한 쟁점 사안들을 기반으로 탐구 기반의 논변 프로그램을 개발한 연구이다. 논변활동의 촉진을 위하여 기체의 온도와 부피의 관계 프로그램을 개발하여 현직 교사들에게 적용하고 결과를 기반으로 논변 과제를 수정하였다. 이를 위해 참여자들의 논변 양상을 TAP과 주장의 논리적 측면을 기반으로 분석하였다. 연구 결과에 의하면 열린 탐구 형태보다 명시적으로 논의의 주제를 실험 변인으로 제한하고 의견합의를 유도할 때, 과학적 논의와 평가가 활발했다. POE 학습 모형의 형태로 적용한 결과에 의하면, 실험 결과는 맥락에 따라 의견 합의의 결정적인 근거로서 사용될 수 있음을 확인하였다. 앞선 두 연구를 통해 실질적인 사고와 논의를 촉진할 수 있는 연구의 시사점을 확인하였고, 실질적인 사고를 촉진하기 위하여, 논변기반의 실질적 사고 촉진 모형(Authentic Thinking with Argumentation, ATA) 을 구성하였다. ATA 모형은 일상적 맥락의 문제에 대하여 증거를 평가하고 초기 예상이나 이론과 비교함으로써 문제 해결을 달성하는 것을 목표로 하였다. 이를 구현하기 위해 디자인과 과학의 융합 형태로 ATA 모형에 기반한 프로그램을 구성하였다. ATA 모형을 이용한 문제 해결 과정을 알아보기 위하여, 중학생을 대상으로 부력과 장애인 보조 수영복 제작을 융합한 문제를 소집단 활동으로 제시하였다. 연구 결과에 의하면, 참여자들은 수영복 제작을 위해 과학 개념을 중요한 전제로 선정하고, 이에 기반하여 논의하고 합의하여 타당성을 확보한 결과를 도출하였다. 한편 참여자들은 본인들이 가지고 있는 개념인 이론과 증거의 불일치 상황에서 과학적 모형을 확장하여 부력의 개념을 이해하였다. 또한 참여자들은 비구조화된 문제를 해결하기 위하여, 문제 해결의 핵심으로 전제를 설정하고 디자인 최적화를 위한 전략적인 과정을 수립하였다. 전략적 과정을 달성하기 위해서는 직관적 사고와 더불어 분석적 사고가 필요함을 확인하였다. 세 연구의 사례를 통해 학습자들이 이론과 증거의 조정과 과학적 담화를 통해, 어떻게 문제를 해결하는지 확인하였다. 또한 비구조화된 문제를 이용한 학습 모형을 구성하여, 과학적 능력을 신장하기 위한 탐구의 방향을 제안하였다. 추후로는 다양한 학습자와 학습의 맥락, 다양한 주제를 기반으로 본 연구의 결과를 확장하고, 학습자들의 문제 해결 전략과 과정을 탐색하는 연구가 필요할 것이다.

The goal of science education is to foster the scientifically literate individuals who could solve the problems of daily life with critical and rational thinking. Scientific inquiry is used and studied as the methods and strategies of learning which enable learners to scientifically interpret the problems and explain the phenomenon in the long time. Generally, scientists activities include the process to investigate

phenomena, to organize valid explanation, and to persuade the other scientists for reaching the consensus which acquired justification. This study explored the ways to apply authentic scientific inquiry which is conducted by scientists in school science. To achieve this investigation, the study developed the inquiry which is emphasized to use the problems which are inconsistent between evidence and theory problem, and identified the issues that were revealed throughout the results. Based on the results, this study suggested the inquiry program which could support learners to solve the problem with authentic thinking.

In the first study, the results of scientific inquiry performed by 21 undergraduates was analyzed to explore the strategies of defining problems. They conducted inquiry to explain about what if water and salt water were leaved in closed system until there was no change? during 6 weeks. According to results which were analyzed through

inquiry process and coordination of theory and evidence when experimental evidence were not consistent with theory, 9 groups of 10 groups used the strategy of optimization. The purpose of this strategy was an acquirement the experimental results which are correspond with theory, and this strategy was interpreted the data by theory-based epistemological practice. Meanwhile, one group used the strategy of formulating extended problem, and presented the own result which was different with others. Through the process of a transformation from evidences to pattern, they defined the revised problem which was induced by evidence-based evaluation. The groups who used the strategy of optimization communicated with other learners for sharing the experimental methods or process that enable to improve results. Otherwise, the group who used the strategy of formulating extended problem used communication for collecting the evidences that was derived from other groups, and evaluating validity and reliability of the evidences. Based on the results, the researcher suggest that it is important to develop the teaching-learning strategy which promotes learners to engage in epistemic discourse, such as discussion about analyzing, and evaluating data, evidence, and theory.

The aim of the second study was to develop an inquiry-based argumentation task, through identification of issues for the substantial experience of argumentation. In order to promote argumentation, the study developed an argumentation tasks by utilizing the experiment on the relation between temperature of gas and volume and revised the tasks by the results applied to science teachers. The researcher analyzed the argumentation of the teachers on the basis of Toulmins Argumentation Pattern (TAP), and rationality of claims. The results show that explicit task prompts which facilitated topic of argumentation into variations, and guided to make consensus were more efficient to induce active discussion rather than forms of open inquiry. According to argumentation patterns in POE, experimental results was used as the core evidence which finalized the discussion, especially explanation step. Based on the studys results, the researcher suggest practical implications for developing problems and tasks to induce active argumentation in more various contexts. Authentic Thinking with Argumentation(ATA) model is designed to promote authentic thinking, such as reasoning, and reflection through evidences, by utilizing an argumentation as the core epistemic practice. For this purpose, ATA model used complex problem in the real world, and aimed to solve problem through evaluating evidences and coordinating theory or prediction and evidences, the ATA model integrated the scientific inquiry and design. This study explored the problem solving process performed by middle school students in integrated between buoyancy and design swimsuit for paraplegic patients program. Participants specified the scientific concepts as the core premises for effective designing, engaged in discourse based

on the premises, and generated a validated swimsuit which was evaluated from argumentation. In the process of scientific problems solving, participants comprehended scientific concepts of buoyancy through modifying their own models to extended scientific models in the inconsistence of evidence and theory. To solve the ill-structured problem, they established premises, and strategic processes. For implementation of strategic processes, it was need to conduct intuitive thinking and analytic thinking.

Based on the finding in three studies, it is possible to contribute to understand how learners solve the problems through coordinating evidence and theory, and scientific argumentation. The results of this study suggest the direction of inquiry to enhance the scientific thinking and ability, developing the learning models which involve ill- structured problem. Future studies are necessary to elaborate problem solving process and learning strategies, and to expand the results of this study within the various learners, contexts, and subjects.