중학교 과학 교사와 교과서의 비유 사용

Abstract

중학교 과학 교과서에서 전기회로는 보통 비유와 함께 제시된다. 전기회로는 교사가 가르치기 어려운 개념일 뿐만 아니라, 전기회로에서 사용되는 비유에 대한 학생들의 이해도는 낮다고 보고되고 있다. 전기회로와 같이 추상적인 개념을 교수할 때 비유는 효과적인 교수 전략이 될 수 있으나, 교사가 비유 사용 방식에 주의를 기울이지 않는다면 예상하지 못한 어려움을 겪을 수 있다. 이에 비유를 사용하여 전기회로를 가르치는 교사가 겪는 어려움과 그 원인에 대한 연구가 필요하다. 교사가 비유를 사용할 때 겪는 어려움과 교사, 교과서의 비유 사용 방식 간의 관련성을 파악한다면, 교사가 비유를 사용할 때 겪는 어려움을 더 깊이 이해할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 중학교 과학 교사 면담을 통해 비유 사용 방식과 어려움을 조사하여 어려움의 원인을 도출하고 교사의 비유 사용 방식과 비유 사용에서 겪는 어려움의 관련성을 분석하였다. 또한, 중학교 과학 교과서에서 전기회로 개념 설명을 위해 제시하는 비유를 조사하여 교사가 겪는 어려움과의 관련성을 분석하였다. 즉, 연구1에서는 전기회로 수업에서 비유를 사용한 중학교 과학 교사를 면담하였으며, 연구2에서는 중학교 과학 교과서에 나오는 전기회로 비유를 분석하였다. 연구1은 비유를 사용한 전기회로 수업 경험이 있는 수도권 소재 중학교 과학 교사 8명을 대상으로 한 연구이다. 자료 수집을 위해 일대일 면담을 수행하였다. 전기회로 수업에서 교사의 비유 사용 방식을 묻는 구조화된 질문지와 해당 수업에서 비유 사용과 관련하여 교사가 겪은 어려움을 묻는 반 구조화된 질문지가 사용되었다. 자료 분석은 면담 자료를 반복적으로 비교 분석하여 코딩한 후, 면담기록지와 수업 지도 자료를 참고한 삼각검증으로 진행되었다. 코딩한 자료로부터 교사가 전기회로 수업에서 사용한 비유물과 비유물의 출처, 교사의 비유 사용 방식을 정리하였다. 그 후 교사가 비유 사용에서 겪은 어려움을 분석하기 위해 코딩 자료에서 비유 사용 어려움과 유관한 요소들을 추출하였으며, 추출된 요소들 중 공통된 원인에 기반한 요소들을 묶어 중범주를 도출하였다. 마지막으로 도출된 중범주 중 같은 원인을 기반으로 한 범주를 묶어 전기회로를 가르치는 교사가 비유 사용에서 겪는 어려움의 원인을 파악할 수 있는 대범주를 도출하였다. 연구 결과, 전기회로 수업에서 교사들에게 공통적으로 나타나는 비유 사용 방식을 찾을 수 있었다. 또한 교사들은 전기회로 교수를 위한 비유 사용에서 교사의 경력과 전공에 따라 여러 가지 어려움을 겪는 것으로 나타났다. 대부분의 교사는 전기회로 설명을 위해 물 회로 비유를 사용하였다. 물 회로 비유의 출처는 모두 교과서였는데, 이는 교사가 전기회로 교수를 위한 비유물을 선택할 때 교과서에 많이 의지한다는 것을 보여준다. 교사는 학생들의 이해를 돕기 위해 비유물을 그림과 구두로 설명하였으나, 학생이 비유물에 친숙할 것이라는 판단 하에 비유물에 대한 학생의 친숙도 여부를 잘 묻지 않는 것으로 나타났다. 또한 대부분의 교사는 비유물과 목표개념의 차이점은 설명하지 않았고, 목표개념을 비유물보다 먼저 설명하였다. 비유 사용에서 겪는 교사의 어려움을 분석한 결과 매끄러운 개념 설명이 어렵다, 학생이 오개념을 가진다, 비유 선택이 어렵다 등 13가지의 하위 요소를 추출할 수 있었다. 13가지 하위 요소들을 바탕으로 도출한 중범주는 8가지로 비유물과 목표개념의 차이점, 목표개념의 난이도와 추상성, 학습자가 비유물에 친숙하지 않음, 전압을 에너지 개념으로 설명하지 않음, 교과서가 물 회로 비유로 구성됨, 비유물과 목표개념을 설명하는 문장이 대응되지 않음, 교사의 수업 경험 부족, 교사의 전공이 물리학이 아님 등이었다. 이를 통해 전기회로 수업에서 비유를 사용한 교사의 어려움의 원인은 크게 비유물과 목표개념 요인, 비유물과 학습자 요인, 교육과정과 교과서 요인, 교사 요인인 것으로 나타났다. 도출된 범주들을 바탕으로 교사들의 비유 사용 어려움을 다음과 같이 파악할 수 있었다. 교사 요인(대범주)에 의하여 수업 경험이 부족한 초임 교사들(중범주)은 대개 매끄러운 개념 설명을 어려워하는 것(하위 요소)으로, 물리학을 전공하지 않은 교사(중범주)는 비유 선택에 있어서 어려움(하위 요소)을 겪는 것으로 분석되었다. 교사의 비유 사용 방식과 어려움을 관련지어 볼 때, 교사의 판단만으로 학생이 비유물에 친숙한지 확인하지 않거나, 비유물을 설명하지 않는 교사는 학생이 오개념을 가지거나, 비유물에 대한 추가 설명을 해야 하는 어려움 등을 겪었다. 또한 비유 사용에서 겪는 어려움의 원인 중 비유물과 목표개념의 차이점과 학습자가 비유물에 친숙하지 않음 등 두 가지는 각각 교사의 비유 사용 방식 중 비유물과 목표개념의 차이점 설명과 비유물에 대한 학생의 친숙도 확인 여부에 해당하였다. 한편, 목표개념을 비유물보다 먼저 설명하는 교사가 비유물을 목표개념보다 먼저 설명하는 교사보다 겪는 어려움이 많았다. 연구2는 교과서의 전기회로 단원에 나타난 비유 사용 방식이 교사의 비유 사용 어려움과 관련이 있는지 분석한 연구이다. 2009 교육과정 중학교 과학3 교과서 4종, 2015 교육과정 중학교 과학2 교과서 4종을 분석 대상으로 하였다. 연구1을 통해 교사들은 교과서의 비유를 주로 사용하고, 교사가 겪는 어려움의 원인 중 하나가 교과서 요인이라는 것을 알 수 있었다. 따라서 교사의 비유 사용 어려움이 교과서의 비유 사용 방식에 영향을 받았을 것이라는 가정 아래 교과서에 나타난 비유 사용 방식을 분석하였다. 분석은 교사 면담에서 사용된 비유 사용 방식 질문과 동일한 관점을 적용하여 이루어졌다. 즉, 교과서에 사용된 비유물의 종류, 비유물로 설명하고자 하는 목표개념, '비유'라는 표현의 언급 여부, 비유물 자체에 대한 설명 여부 등이다. 자료 분석의 신뢰성 확보를 위해 연구자와 과학교육 전공 박사과정생 2명이 함께 분석하였으며 분석 과정에서 검토자 간 반복적인 논의를 통해 내적 일관성을 확보하였다. 분석 결과 동아출판, 미래엔, 비상교육, 천재교과서에서 2009 개정 교육과정 및 2015 개정 교육과정에 따라 출판한 교과서들은 전기회로 개념을 설명하기 위해 주로 물 회로 비유를 제시하였다. 도선을 수로에, 전지를 펌프에, 전류를 물의 흐름에, 전압을 물의 높이 차에, 저항(전구)을 물레방아에 비유하였다. 교과서들의 비유 사용 방식은 하나의 비유에서 여러 가지 비유물을 제시하고 있으며, 글과 그림으로 비유를 표현하며, 비유라는 단어를 잘 언급하지 않고, 비유물 자체에 대한 설명을 하지 않는 경향을 보였다. 2009 개정 교육과정 교과서의 비유 사용 방식에서 교사에게 어려움을 초래할 만한 요소들은 2015 개정 교육과정 교과서의 비유 사용 방식에서도 비슷하게 나타났다. 이상의 연구 결과들을 종합한 결론은 다음과 같다. 첫째, 교사와 교과서의 비유 사용 방식과 비유 사용에서 겪는 어려움은 서로 관련이 있으므로 전기회로 단원의 교수에서 교사와 교과서의 비유 사용 방식에 따라 비유 사용에서 교사가 겪는 어려움은 달라질 것이다. 둘째, 전기회로 교수에서 비유를 원활하게 사용하기 위해 교사는 비유물에 대한 학생의 친숙도 확인, 비유물 자체에 대한 설명, 비유물과 목표개념의 차이점에 대한 설명을 해야하고 교과서에는 비유라는 단어가 언급되어야 하고, 비유물에 대한 설명을 수록하는 등 교사와 교과서의 비유 사용 방식에 보완이 필요하다. 셋째, 목표개념과 비유물의 제시 순서와 관련하여 전기회로 교수에서 비유물을 목표개념보다 먼저 제시하고 설명하는 것이 교사의 비유 사용 어려움을 줄일 수 있는 방법이다. 본 연구의 시사점 및 제언은 다음과 같다. 첫째, 전기회로 교수에서 비유를 사용하는 교사가 겪을 수 있는 어려움에 대해 교사의 경력과 전공에 따른 안내가 필요하다. 둘째, 효과적인 비유 사용 방식, 좋은 비유의 조건, 비유 사용 전략 등에 대한 교사 연수를 통해 교사가 비유 사용에서 겪는 어려움을 줄여야 한다. 마지막으로, 전기회로 교수에서 비유물과 목표개념을 제시하는 순서에 따른 비유 사용 효과에 대한 후속 연구가 필요하다.

In middle school science textbooks, electric circuits are usually presented with an analogy. The electrical circuit is not only a difficult concept for teachers to teach, but the students' understanding of the analogy used in the electric circuit is reported to be low. In teaching abstract concepts, such as electric circuit, an analogy can be an effective teaching strategy, but it can be an unexpected difficulty if teachers do not pay attention to the use of analogies. It is necessary to study the difficulties and causes of teachers who use analogies to teach electric circuit. Understanding the relationship between the difficulty encountered by teachers using analogy and the use of analogies by teachers and textbooks can provide a deeper understanding of teacher's difficulty in the use of analogy. The purpose of this study was to derive the cause of teachers difficulty in the use of analogy and to analyze the relationship between the use of analogy and teachers difficulty in the use of analogy through interviews with middle school science teachers. In addition, the analogy presented by middle school science textbooks for explaining the concept of electric circuit was investigated to analyze the relationship with the teachers difficulty in the use of analogy. In other words, Research 1 interviewed a middle school science teacher who used analogies to teach electric circuit, and Research 2 analyzed the analogies of electric circuit in middle school science textbooks. Research 1 is a study of eight middle school science teachers in the Seoul metropolitan area who have experience in using analogies to teach electric circuit. The study collected data through one-on-one interviews. A structured questionnaire was asked about how the teacher used analogies in the electric circuit class, and a semi-structured questionnaire was asked about the difficulty experienced by the teacher in using analogies in the class. The process of coding interview data was repeatedly compared and coded. Data analysis was conducted by analyzing interview data, and then using triangulation method with reference to interview records and instructional materials. From the interview data, we summarized the analogue used by the teacher in the electric circuit class, the sources of the analogue, and the method of analogy usage. Then, in order to analyze teacher's difficulty in the use of analogy, factors related to difficulty were extracted from coding data. Among the extracted factors, the factors based on common causes were grouped to derive the medium category of difficulty. The major category of difficulty was derived by grouping the same causes among the medium categories. As a result, we found a common use of analogy among teachers in electric circuit classes. It also showed that teachers have various difficulties of using analogy depending on their experience and major. Most teachers used a water circuit analogy to explain electric circuit. The sources of water circuit analogy were all textbooks. This shows that the teacher relies heavily on textbooks when choosing analogies for teaching electric circuit. The teacher explained the analogy in pictorially and verbally to help the students understand, but they did not ask the student's familiarity with the analogue because they thought students would be familiar with it. Most teachers did not explain the difference between the analogue and the target concept, and they explained the target concept before the analogue. As a result of analyzing teachers difficulties in the use of analogy, 13 sub-factors were extracted such as difficulty in explaining concepts smoothly, misconception of students by analogy, difficulty in choosing analogy. Based on 13 sub-factors, 8 medium categories are differences between analogue and target concept, abstraction of target concept, unfamiliarity with analogue, not describing voltage as energy concept, textbook is composed of water circuit analogy, sentences explaining analogy and target concept do not correspond, lack of teacher experience in teaching, major of teacher is not physics. Through this, it was found that the causes of difficulties for teachers using analogy to teach electric circuit were largely analogue and target concept factors, analogue and learner factors, curriculum and textbook factors, and teacher factors. Based on the categories, teacher's difficulties in the use of analogy were identified as follows: In teacher factors (major category), Beginner teachers who lack teacher experience in teaching (medium category) often have difficulty in explaining concepts smoothly (sub-factors) and teachers who did not major physics (medium category) have difficulty in choosing analogy (sub-factors). Relating to the method of analogy usage and teacher's difficulty in the use of analogy, teachers who do not check whether a student is familiar with an analogue or who does not explain an analogue by their judgement experienced difficulties in which the student had misconception or had to give an additional explanation of the analogue. In addition, two medium categories of teachers` difficulty in the use of analogy [differences between analogue and target concept, unfamiliarity with analogue] correspond to two methods of analogy usage [explain the difference between analogue and target concept, check students` familiarity with analogue] respectively. On the other hand, teachers who explained the target concept before the analogue had more difficulties than the teacher who explained the analogue before the target concept. Research 2 analyzes the relationship between the analogies of electric circuit in middle school science textbooks and teacher's difficulty in the use of analogy. The analysis was conducted on four textbooks of middle school science 3 in 2009 revised curriculum and four textbooks of middle school science 2 in 2015 revised curriculum. Research 1 showed that teachers mainly use the analogy of textbooks and that one major category of teacher's difficulty in the use of analogy is the textbook factor. Therefore, we analyzed the method of analogy usage in textbooks on the assumption that the teacher's difficulty in the use of analogy was affected by the use of analogy by textbooks. The analysis was conducted using the same perspective as the question of teacher interviews. That is, the analogue used in textbooks, the target concept to be described as an analogy, whether the word 'analogy' is mentioned, whether the analogy itself is explained. In order to secure the reliability of data analysis, researchers and two PhD students majoring in science education analyzed together, and internal consistency was secured through repeated discussions among reviewers during the analysis process. As a result, textbooks published in Bookdonga(동아출판), Mirae-n(미래엔), Visang(비상교육), and Chunjae(천재교과서) under the 2009 Revision Curriculum and 2015 Revised Curriculum mainly presented water circuit analogy to explain the concept of electric circuit. The wires are compared to the water channel, the battery to the pump, the current to the flow of water, the voltage to the height difference of the water, and the resistance (light bulb) to the waterwheel. The use of analogies in textbooks has shown a tendency to present a variety of analogue in one analogy, to express analogy in texts and pictures, to make little mention of the word 'analogy', and not to explain about the analogy itself. The factors that might cause difficulties for teachers in the 2009 revised curriculum textbooks were similar in 2015 revised curriculum textbooks. The conclusions of the above findings are as follows. First, the method of analogy usage by teachers and textbooks interrelates with teacher's difficulty in the use of analogy. So the teacher's difficulty in the use of analogy will vary depending on the method of analogy usage by teachers and textbooks. Second, in order to use analogy effectively in the teaching of electric circuit, the teacher should check the students' familiarity with analogue, explain an analogue itself, explain the difference between analogue and target concept. And an analogy in the textbooks should be mentioned with word 'analogy' and be with explanation itself. Third, to present and explain an analogy before the target concept in teaching electric circuit is the way to reduce teacher's difficulty in the use of analogy. The implications and suggestions of this study are as follows. First, it is necessary to provide guidance according to the teacher's career and major about teacher's difficulty in the use of analogy to teach electric circuit. Second, the teacher's difficulty in the use of analogy should be reduced through teacher training on an effective method of analogy usage, conditions of good analogies, and strategies for using analogies. Lastly, follow-up studies are needed on the effects of explanation order between analogue and target concept in teaching electric circuit.