판 운동 원동력에 대한 인지갈등전략 기반 개념변화학습지 개발 및 적용 연구

Abstract

약 40여 년 전부터 수많은 관측적 증거와 이론적 연구를 통해 판의 주된 원동력이 맨틀 대류에서 섭입판의 인력으로 변화되었지만, 우리나라 교과서에서는 여전히 맨틀 대류가 판의 주된 원동력으로 다루어지고 있다. 다행히, 2022 교육과정 지구시스템과학 성취기준 해설에는 판 운동의 원인으로 섭입판의 인력에 관해 다루게 된다고 제시되어 있지만, 견고한 선개념을 가지고 있는 교사들의 개념변화 없이는 새로운 이론이 학생들에게 바르게 전달되기 어렵다. 따라서, 판 운동 원동력의 효과적인 개념변화를 위해, 개념변화학습지를 개발하고 이를 과학 예비교사들에게 적용하는 연구를 수행하였다. 개념변화학습지 개발은 Hashweh의 인지갈등 전략과 Driver의 개념변화 수업 모형을 활용해 4단계의 개념변화 학습단계로 설계했으며 각 단계는 지구에서 관측되고 있는 지질/지구물리학적 상황 4가지를 가지고 선개념과 새로운 개념 관점에서 문제를 만들었다. 또한 각 문제의 세부 응답 문항은 학습자들이 각 관점에서 지식을 조직화하고 응용할 수 있는 이해 순서 단계로 제시했다. 연구 수행 결과 학습자들의 사전 개념 조사에서 59명 중 53명(89.8%)이 판 운동의 주된 원동력을 맨틀 대류로 응답했다. 하지만 개념변화학습을 진행한 후에는, 26명(49.1%)의 학습자가 변화되어 총 30명(50.8%)이 사후 개념 조사에서 판의 주된 원동력을 '섭입판의 인력'으로 올바르게 응답했다. 대응 표본 t 검정을 사용한 결과 통계적으로 유의미한 차이가 보여, 개발된 개념변화학습지가 효과적으로 새로운 판 운동 원동력 개념을 전달하는 것으로 확인되었다. 또한, 판의 속도와 판의 경계 비율 그래프, 남극판 안정성 상황, 불연속적 해령 상황, 해령과 해구 만남 상황 순서로 새로운 개념을 이해하는데 효율적인 관측적 증거로 파악되었다. 본 연구에서 개발한 개념변화학습지는 시공간의 제약 없이 사용이 가능하여 교사, 예비교사, 학생들에게 광범위하게 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한 본 연구 결과를 통해 새로운 교육과정 내용이 효과적으로 교과서에 안착할 수 있는 좋은 도구로 사용될 수 있기를 기대한다.

Over the past several decades, due to numerous observational evidences and theoretical model predictions, the primary driving force of the plate motion has been considered to be the slab pull (forces from the subducting oceanic plates due to gravity) rather than the mantle convection itself. However, in many Korean textbooks, mantle convection is still portrayed as the main driving force of the tectonic plates. Recently, the 2022 educational curriculum guidelines for the Earth System Science category now included a recommendation that the active force of slab pull be the main driving force, but it is difficult for this new theory to be effectively conveyed to students unless the conceptual understanding of In-service teachers are fundamentally changed. Therefore, in order to facilitate an effective conceptual change for the driving forces of the plate motion, we conducted a study to develop a learning tool inducing their conceptual changes and tested it to the pre-service science teachers. Combining Hashweh's cognitive conflict strategy and Driver's conceptual change model, our learning tool comprises four stages for the stepwise conceptual change. Each stage includes the problems associated with four geological and geophysical settings, and was designed to induce the sequential evolution of understanding of the respondents; they are requested to respond by organizing and applying the pre-existing knowledge and the new concepts. Before the application, 53 out of 59 learners (89.8%) identified the mantle convection as the main driving force of the tectonic plates in the pre-concept survey. However, after experiencing our learning tool, the post-concept survey clearly indicates that successful conceptual changes were found in 26 learners (49.1%), with a total of 30 learners (50.8%) correctly recognizing the slab pull as the main driving force of the plate motion. The t-test results also showed a statistical significance, suggesting that the learning tool developed in this study effectively implanted the new concept of the main driving force. Furthermore, it was found that the effective new conception(slab pull) understanding occurs when the topics are presented in the order of (1) the relationships between the velocity and the boundary ratio of the plates, (2) the stability of the Antarctic Plate, (3) the discontinuity of the ridges, and (4) the intersection of the ridge and the trench. Our learning tool developed in this study has less cost, time, and space constraints, and thus, it is expected to be highly useful for in-service teachers, pre-service teachers, and students. We also hope the results of this study will be a valuable tool for effectively integrating the new educational content into the related textbooks.