중학생과 과학교사의 색 인식에 대한 개념세계 및 모형구성

Abstract

모형구성은 개념 변화의 유형 중 하나로 학습자의 개념세계는 과학적 모형구성을 통해 과학적 개념세계로 변화한다. 틀 이론과 요소 이론의 개념세계의 일관성에 대한 입장 차이는 개념세계 성숙도가 다른 초심자와 전문가의 개념세계 변화의 특징을 이해하는데 중요한 틀을 제공한다. 본 연구에서는 기존 개념세계의 변화를 필요로 하는 색 인식의 모형구성을 중학생과 과학교사를 대상으로 분석하여 초심자와 전문가의 개념세계 변화의 특징을 이해하고자 하였다. 이를 위하여 중학생 30명과 과학교사 8명을 대상으로 개념세계 변화를 위한 불일치사건으로써 조건등색 등의 색 현상을 제공하고 이에 대한 설명모형을 구성하도록 설계된 색 인식 수업을 3차시 동안 진행하였다. 개인별 활동지에 기록된 내용과 모둠별 토론에서의 담화를 분석하여 참여자의 설명모형을 범주화하고 개념세계 요소를 도출하였다. 이를 바탕으로 모형구성을 도식화하여 중학생과 과학교사의 모형구성의 특징을 해석하였다. 연구 결과 중학생의 색 인식에 대한 설명모형은 과학교사의 설명모형보다 현상별로 다양하게 범주화되었다. 중학생의 경우에는 색 합성과 조건등색에 대한 설명모형은 물감 혼합, 점묘, 파동 상호작용 및 원추세포 자극 모형 등 네 종류로 범주화되었으며, 백색광 스펙트럼에 대한 설명모형은 삼원색 합성과 7원색 모형 등으로 범주화되었다. 교사의 경우에는 조건등색 현상에 대한 설명모형이 파동 상호작용과 원추세포 자극 모형 등 두 종류, 색분해 현상에 대한 설명모형도 원추세포 부조와 원추세포 분해능 모형 등 두 종류로 범주화되었다. 설명모형이 기반하는 개념세계 요소를 직관적 지식, 언어-상징적 지식, 소박한 이론, 과학적 이론으로 분석한 결과, 중학생은 과학교사보다 다양한 개념세계 요소를 보였으며 특히 직관적 지식이 많은 것으로 나타났다. 중학생의 경우에는 직관적 지식으로 물감혼합, 점묘, 색원소 등의 지식이 나타났고, 언어-상징적 지식으로 삼원색의 정의 및 합성 다이어그램 등의 지식이 나타났으며, 소박한 이론으로 스펙트럼 이론이 나타났고, 과학적 이론으로 삼원색 이론이 나타났다. 교사의 경우에는 직관적 지식으로 점묘의 지식이 나타났고, 언어-상징적 지식으로 분해능의 지식이 나타났으며, 소박한 이론으로 스펙트럼 이론이 나타났고, 과학적 이론으로 삼원색의 이론이 나타났다. 모형구성을 분석한 결과, 중학생은 개념세계를 일관하게 하는 이론 합치나 모형 정합보다는 대상의 유사성에 초점을 맞춘 유추적 사고에 의해 현상별로 부합한다고 생각되는 지식과 이론을 바꾸어 가며 모형을 대응하는 특징이 나타났다. 다양한 유추적 사고를 활용한 학생은 일련의 색 현상을 대면하면서 조건등색 현상에 대해 설명의 타당성이 가장 높은 삼원색 이론을 기반으로 과학적인 모형을 구성하였다. 그러나 직관적 지식만을 기반으로 하거나 소박한 이론인 스펙트럼 이론을 기반으로 모형을 대응했던 학생은 조건등색 현상에 대해서도 여전히 직관적 지식 또는 소박한 이론을 기반으로 모형을 대응하여 과학적인 모형구성에 어려움을 겪었다. 교사의 경우는 개념세계 요소 중 특정한 이론을 기반으로 모형을 대응하였고, 개념세계를 일관하게 하는 이론 합치 또는 모형 정합의 특징이 나타났다. 소박한 이론 합치를 지향했던 교사는 색분해 현상에 대한 모형을 대응하면서 이전 현상에 대한 과학적 모형과의 정합보다는 자신의 소박한 이론의 합치를 지향하여 과학적인 모형구성에 어려움을 겪었다. 모형 정합을 지향했던 교사는 초기의 조건등색 현상에서 상호모순되는 두 모형을 대응했으나 이후의 현상에서 모순되는 모형의 반례를 확인한 후 과학적 이론을 기반으로 하는 모형만을 대응하였다. 그리고, 모형 정합을 지향했던 교사는 새로운 규칙성이 포함된 색분해 현상을 설명할 수 있는 분해능의 지식을 추가하였다. 이를 통해 이전 모형을 포괄하여 정합하는 모형을 대응함으로써 과학적인 모형을 구성하였다. 이를 종합하면 개념세계 성숙도에 따라 개념세계 변화의 특징이 다름을 의미한다. 초심자인 중학생은 이론보다는 지식 중심으로 느슨하게 구조화된 개념세계를 가지고 있으며 개념세계의 일관성보다는 현상별로 맥락에 적합해 보이는 설명을 찾아나가는데 치중하여 모형구성을 하는 것으로 이해된다. 전문가인 과학교사는 이론 중심으로 구조화된 일관된 개념세계를 가지고 있으며 이를 기반으로 모형구성을 하는 것으로 이해된다. 따라서, 이론 중심의 일관된 개념세계는 쉽게 변하지 않으며 새로운 현상에 대한 설명을 제공하는 모형 중심으로 재구조화될 때 과학적인 개념세계로 변화하는 것으로 이해된다. 이는 개념세계 성숙도에 따라 개념세계 변화의 전략이 필요함을 의미한다. 개념세계가 성숙하지 않은 학습자의 개념 변화를 위해서는 다양한 유추적 사고를 갖게 하는 일련의 현상 및 문제 상황에 대한 모형의 대응을 평가하여 현상과 상황에 대해 개념세계를 맥락화하여 조직화할 수 있는 기회를 제공하는 것이 필요하다. 한편, 개념세계가 성숙한 학습자의 개념 변화를 위해서는 일련의 현상에 대한 모형 정합을 평가하여 개념세계가 일관되고 정합하여 새롭게 구조화할 수 있는 기회를 제공하는 것이 필요하다.

The research aimed to investigate characteristics of conceptual worlds and modeling of novices and experts to get implications for conceptual change. The participants are 30 middle school students and 8 science teachers. Participants were asked to construct models which corresponded with a sequence of color perception phenomena including metamerism through small group argumentation activities. Students conceptual world elements and models were more various and intuitive than those of teachers. Students construct their own models based upon to knowledge and theories which seemed to be plausible to each phenomenon. Students seemed to have no chance to think of conformity among theories or coherence among models. They seemed to move easily among various theories and adopt one theory which corresponded with phenomena. During facing a series of color phenomena, their conceptual world elements tended to move towards to scientific theory of trichromacy. But some students who based on the single intuitive knowledge or naïve theories such as spectrum theory seemed to have difficulties in constructing scientific models at the end. Teachers constructed their models based on the specific theories and showed tendency to conformity among theories and coherence among models corresponded to the phenomena during their modelling processes. Some teachers who oriented to conformity among their own naïve theories rather than coherence with scientific models seemed to have difficulties in constructing scientific models at the end. Some teachers who oriented to coherence among models could success to find counter examples of contradictory models and finally construct scientific models. Both results suggest that novices and experts conceptual change is different. Novices have loosely comprised conceptual world of knowledge rather than theory, their modeling tend to have new model in each context of phenomena if it provides better explanation. Experts have consistent and structured conceptual world of theory, their modeling tend to have coherent model or consistent model which based on previous theory even in new context of phenomena.