생태계 주제의 협력적 표상화 활동에서 나타난 고등학생들의 시스템 사고 이해

Abstract

시스템은 과학의 전 분야에서 통용되는 통합적 개념(cross-cutting concept)으로 최근 과학교육에서 강조되고 있다. 학생들이 시스템을 잘 이해하기 위해서는 개별 요소에 관한 지식뿐만 아니라 시스템 사고가 필요하다. 본 연구에서는 생태계를 주제로 한 외적 표상화 활동에서 고등학생들의 시스템 사고가 어떻게 나타났는지 파악하고, 높은 수준의 시스템 사고가 발휘된 맥락을 과제의 특성 및 학생들에게 조성된 인식론과 관련지어 탐색하였다. 이를 위해 개인 활동지, 소집단이 만든 그림, 비디오 녹화본, 관찰 노트, 사후 인터뷰 자료를 수집하였다. 연구자는 수집된 자료를 통해 생태계를 주제로 한 수업 과정에서 나타난 고등학생들의 시스템 사고를 분석하였으며, 특히 과제의 어떠한 측면이 고등학생들의 높은 수준의 시스템 사고를 촉진했는지 조사하였다. 아울러, 학생들의 인식론에 기반한 그들의 인식론적 메시지의 공유 및 시스템 사고를 분석하여 그들의 생태계 학습양상이 어떻게 나타났는지 이해하고자 하였다. 연구 결과, 고등학생들은 생태계 학습 과정에서 다양한 수준의 시스템 사고를 드러냈다. 학생들이 어떤 맥락에서 높은 수준의 시스템 사고를 어떻게 드러낼 수 있었는지를 제시하면 다음과 같다. 학생들은 외적 표상화 과정을 통해 자신의 사고를 시각화했고, 생성된 표상을 반성하는 과정에서 그들의 메타인지가 촉발되었다. 또, 학생들은 그 속성이 잘 드러날 수 있도록 소집단 그림에서 요소의 위치를 조정하는 등 그림을 인지적 도구로 활용하며 높은 수준의 시스템 사고를 할 수 있었다. 또한, 생태계 학습 과제에서 다루는 시스템을 구성하는 요소가 가시적인 경우, 학생들은 해당 요소들의 관계들을 발판으로 삼아 시스템의 속성을 탐색해 나갔다. 교사가 제시한 과제 질문의 특징은 학생들의 시스템 사고에 영향을 주는 또 하나의 요소였다. 과제 질문의 특징이 개방적이거나 참신한 것일 때, 다양한 학생들이 가진 생각이 표현되어 생태계를 이루는 요소 사이의 관계가 더욱 확장되는 경향이 나타났다. 학생들이 높은 수준의 시스템 사고를 할 수 있었던 맥락을 과제 맥락에서 고찰함으로써, 고등학생들의 생태계 주제 학습에서 외적 표상화 활동 강화, 과제의 특징을 고려하여 제시하는 것의 필요성을 논의하였다. 학생들의 인식론은 그들이 높은 수준의 시스템 사고를 하는 데 영향을 주는 요인이었다. 고등학생들이 가진 인식론은 사회적 상호작용 속에서 인식론적 메시지로 모둠원들에게 전달되어 서로의 인식론에 영향을 미쳤다. 소집단 내에서 다른 학생들의 타당한 반론이 출현했을 때, 더욱 생산적인 인식론적 메시지가 출현할 수 있었다. 또한, 그들은 생산적인 인식론적 메시지를 수용하게 되면서, 서로 더욱 생산적인 인식론을 공유하였다. 그렇게 되면서 학생들은 생태계를 더욱 시스템적인 측면에서 고려할 수 있었고, 구체적으로 생태계의 역동성, 순환, 공간적 규모 파악을 할 수 있었다. 연구 결과를 바탕으로, 연구자는 학생들의 생산적인 인식론이 그들의 인식적 실행과 긴밀하게 얽혀 있음을 밝혔다.

The system is a cross-cutting concept used in all fields of science and has recently been emphasized in science education. In order for students to understand systems well, they need systems thinking, as well as knowledge of systems various components. In this study, the researcher identified how high school students systems thinking appeared in external representation activities on the subject of the ecosystem, and investigated the context in which the students exhibited a high level of systems thinking based on the impact of the task and the epistemology established by the students. For this, each students worksheets, the drawings created by small groups, video recordings, field notes, and post-interview data with students were collected. Through the collected data, the researcher analyzed the systems thinking of high school students in their learning courses on the topic of the ecosystem. In particular, the researcher investigated what aspects of the task promoted high-level systems thinking among high school students. In addition, to understand in more depth the students learning dynamics in terms of their ecology concept construction and their epistemology, the researcher investigated how the students sharing of epistemological messages and systems thinking was processed. The results showed that the high school students displayed various levels of systems thinking in the process of learning about the ecosystem. The contexts in which students were able to show various levels of high-level systems thinking were as follows. The students visualized their thinking through the process of external representation, after which their metacognition was instigated during the process of reflecting on the created representation. In addition, the students were able to utilize the drawing as a cognitive tool, adjusting the position of the elements in the drawing of the small group, for example. In addition, when students came to visualize various elements constituting the ecosystem during the task, they were able to explore the properties of the system deeply, such as utilizing the relationships between the elements as a scaffold. The characteristic of the task question presented by the teacher was another factor that influenced the students systems thinking positively. When the characteristics of the task question were open-ended or novel, more diverse and novel ideas from students were capable of being expressed, and their thinking about the relationship between the elements constituting the ecosystem was broader. From an examination of the context in which students were able to engage in high-level systems thinking, the need to reinforce the external representation activity in high school students' learning of the ecosystem was discussed, as well as the need for the teacher to present them in consideration of the characteristics of the task. Students epistemology was another factor influencing their high-level systems thinking. The epistemology of high school students was transmitted to the small group members and influenced their epistemology. After that, better productive epistemological messages were able to emerge when tangible rebuttals from other students were suggested within the small group. Moreover, as the students came to accept productive epistemological messages within the group, they shared a better productive epistemology. In doing so, the students were able to consider the ecosystem in terms of a systematic perspective and, specifically, to consider the dynamics, cycle, and spatial scale of the ecosystem. On the basis of the research results, the researcher concluded that the students productive epistemology was closely intertwined with their epistemic practice.