물리 전공이 아닌 중학교 과학교사가 물리 영역을 가르칠 때의 어려움과 대응

Abstract

Science teachers are expected to have high teaching expertise; however, science teachers feel burdened by out-of-field teaching due to a lack of content knowledge(CK) and pedagogical content knowledge(PCK). In particular, middle school science teachers often experience low confidence and teaching anxiety when teaching all subject areas of science beyond their in-field major. Considering the significant impact on students' science learning, an in-depth understanding of science teachers' difficulties and responses is necessary, which is still absent. This study sought to gain implications for improving the expertise of science teachers by investigating the difficulties and responses of middle school science teachers when teaching subjects out of their major. Specifically, this study analyzed non-physics major science teachers' experiences in teaching physics, which is most difficult to teach. The research questions are as follows: First, what are the difficulties when middle school science teachers with non-physics major teach physics units?, Second, how do middle school science teachers with non-physics major respond to difficulties when they teach physics units? For this purpose, open-ended surveys were conducted on 36 middle school science teachers who majored in chemistry, biology, and earth science; and in-depth interviews were conducted on 7 of them. The survey consisted of questions asking about cases of difficulties and responses to them in physics classes. In-depth interviews were conducted on participants who described the difficulties and responses they experienced in physics classes in detail. Through the collected data, difficulties related to CK and PCK, distribution of difficulties by unit and major, features of responses to difficulties, and types of responses were analyzed. The collected data was qualitatively analyzed several times using a constant comparative method, and the following results were derived. First, it was found that science teachers with non-physics major experienced various difficulties in teaching physics units because they perceived a lack of CK and PCK. The difficulties could be divided into 13 sub-factors, including difficulties in understanding concepts, dealing with principle questions, and activity-based classes. At the same time, it was analyzed that science teachers with non-physics major often experienced difficulties due to a lack of PCK rather than difficulties due to a lack of CK. Notably, science teachers with non-physics major often had difficulties in the 'Electricity and Magnetism' unit. Due to the lack of CK and PCK, they experienced difficulties related to highly abstract concepts, laws expressed in formulas, and ideal conditions in the electricity and magnetism unit. In this regard, teachers with chemistry major and teachers with other majors were different in their perception. Compared to teachers with biology and earth science major, teachers with chemistry major felt more familiar with abstract physics concepts, understood formulas organically, and thought physics experiments, important for learning idealization, were fun, so they experienced less difficulty in teaching physics. Second, teachers' responses varied depending on their awareness of abstract physics concepts, laws expressed in formulas, and physics experiments. Teachers who were unfamiliar with abstract concepts responded by reading along with the textbook, and teachers who were familiar with abstract concepts responded by using familiar props. Teachers who memorized formulas fragmentarily responded with problem-solving-oriented classes, and teachers who understood formulas organically responded with storytelling classes. Teachers who thought physics experiments were not relevant to daily life responded by conducting minimal experiments, and teachers who thought physics experiments were fun responded by connecting idealized physics concepts to various real-life phenomena. Meanwhile, teachers' responses could be divided into four types: minimum, collaborative supplementation, individual breakthrough, and give-up. Teachers either covered only the contents of the textbook to a minimum (minimum type) or supplemented their classes as intended by the curriculum through collaboration (collaborative supplementation type). Alternatively, the teacher attempted to reorganize the class or textbook based on his or her expertise (individual breakthrough type), but gave up because the content was beyond the curriculum (give-up type). The conclusion that synthesizes the above is as follows: First, teachers who lacked the CK and PCK required for physics teaching were found to experience various difficulties related to abstract concepts of physics, laws expressed in formulas, and ideal conditions. Second, the degree of difficulties and responses to them in physics teaching experienced by science teachers with non-physics major were different depending on their major. Through the 4 types of teachers responses, science teachers with non-physics major have limitations in fully revealing the nature of knowledge based on their CK and PCK. Suggestions and implications based on the conclusion of this study are as follows. Firstly, guidance for teachers with non-physics major needs to be provided through analysis of physics textbooks on abstract concepts, laws expressed in formulas, and idealized conditions for providing guidance for science teachers with non-physics major. Secondly, support for out-of-field teaching needs to be differentiated by specific major of teachers. Additionally, the characteristics of specific major of teachers need to be reflected in improving PCK in teaching physics units through comparative research on the nature of physics, chemistry, biology, and earth science. Lastly, the content lectures of science education in teachers colleges need to be changed to become science for teachers, which prepares teachers to teach the main perspectives and big ideas of the subject they teach even if the specific major is different. This study is meaningful in understanding middle school science classrooms and provides implications for secondary science teacher education by examining in depth the differences in difficulties and responses in physics classes through specific cases of science teachers with non-physics majors.

과학교사에게는 높은 수업 전문성이 요구된다. 하지만 과학교사는 과학교과 내의 타전공 영역에 대한 이해 부족으로 타전공 영역 수업에 부담을 느끼고 있다. 특히, 중학교 과학교사는 본인의 세부 전공을 넘어 과학의 모든 영역을 지도하기 때문에 타전공 영역에 대한 낮은 자신감 및 교수불안을 갖는 경우가 많다. 이는 학생들의 과학 학습에 큰 영향을 미치기 때문에 과학교사의 어려움과 대응에 대한 철저한 이해가 필요하다. 하지만 이에 대한 심층적인 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 중학교 과학교사가 타전공 영역을 가르칠 때의 어려움과 대응을 분석함으로써 과학교사 전문성 신장에 시사점을 얻고자 하였다. 특히 이 연구에서는 중학교 과학교사가 가장 가르치기 어려워하는 물리 영역 수업 경험을 분석하였다. 연구 질문은 다음과 같다. 첫째, 물리 전공이 아닌 중학교 과학교사가 물리 영역을 가르칠 때의 어려움은 무엇인가?, 둘째, 물리 전공이 아닌 중학교 과학교사는 물리 영역을 가르칠 때의 어려움에 어떻게 대응하는가? 이를 위해 화학, 생물, 지구과학 전공 중학교 과학교사 36명을 대상으로 개방형 문항의 설문조사를 실시하고, 그중 7명을 대상으로 심층면담을 실시하였다. 설문조사는 물리 영역 수업에서의 어려움과 그때의 대응 사례를 묻는 문항으로 구성하였다. 심층면담은 사례에 대한 심층적인 맥락을 파악하기 위해 설문조사에서 물리 영역 수업에서 경험한 어려움과 대응을 자세히 기술한 참여자를 대상으로 실시하였다. 수집된 자료를 통해 교과내용지식(Content Knowledge: 이하 CK)과 교수내용지식(Pedagogical Content Knowledge: 이하 PCK)에 관한 어려움, 단원별· 전공별 어려움 분포, 어려움에 대한 대응의 특징, 대응 유형을 분석하였다. 수집된 자료는 지속적 비교방법을 이용하여 수차례에 걸쳐 질적으로 분석하였으며 다음의 결과를 도출하였다. 첫째, 타전공 과학교사는 물리 영역을 가르칠 때 CK와 PCK가 부족하다고 생각하여 여러 가지 어려움을 겪는 것으로 나타났다. 타전공 과학교사가 물리 영역을 가르칠 때 겪는 어려움은 개념 이해, 원리 질문 대처, 활동 중심 수업의 어려움 등 13가지의 하위 범주로 나눌 수 있었다. 이때 타전공 과학교사는 CK 부족으로 인한 어려움보다는 PCK 부족으로 인한 어려움을 겪는 경우가 많은 것으로 분석되었다. 타전공 과학교사는 전기와 자기 단원에서 특히 어려움을 겪는 경우가 많았는데, 이들은 CK와 PCK 부족으로 인해 전기와 자기 단원에 나오는 추상성 높은 개념, 수식으로 표현된 법칙, 이상조건과 관련된 어려움을 겪고 있었다. 이에 대해 화학 전공 교사와 다른 타전공 과학교사는 인식의 차이를 보였다. 화학 전공 교사는 생물, 지구과학 전공 교사에 비해 상대적으로 추상적인 물리 개념이 익숙하고 수식을 유기적으로 이해하며 이상화 학습에 중요한 물리 실험이 재미있다고 생각하여 물리 영역 수업에 어려움을 덜 느끼는 것으로 나타났다. 둘째, 추상적인 물리 개념, 수식으로 표현된 법칙, 물리실험에 대한 인식에 따라 교사의 대응은 다르게 나타났다. 추상적인 개념이 낯선 교사는 교과서를 따라 읽는 대응을, 추상적인 개념이 익숙한 교사는 친숙한 소품을 활용하는 대응을 보여주었다. 수식을 단편적으로 암기한 교사는 문제 풀이 중심 수업의 대응을, 수식을 유기적으로 이해한 교사는 스토리텔링 수업의 대응을 하고 있었다. 물리 실험이 일상생활과 관련이 없다고 생각하는 교사는 최소한의 실험을 수행하는 대응을, 물리 실험이 재미있다고 생각하는 교사는 이상화된 물리 개념을 다양한 실생활 현상과 연결 짓는 대응을 하였다. 한편, 교사의 대응은 최소형, 협력보완형, 개인돌파형, 중도포기형의 4가지 유형으로 나눌 수 있었다. 교사는 교과서에 있는 내용만 최소한으로 다루거나(최소형) 협력을 통하여 자신의 수업을 교육과정의 의도대로 보완하기도 하였다(협력보완형). 또는 교사는 자신의 전문성을 바탕으로 수업을 재구성하거나(개인돌파형) 교과서를 재구성하려는 시도를 했지만 교육과정 이상의 내용이라 포기하기도 하였다(중도포기형). 이상의 연구 결과들을 종합한 결론은 다음과 같다. 첫째, 물리 영역 수업에 필요한 CK와 PCK가 부족한 교사는 물리학의 추상적인 개념, 수식으로 표현된 법칙, 이상조건과 관련된 다양한 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다. 둘째, 물리 전공이 아닌 중학교 과학교사가 물리 영역을 가르칠 때 어려움을 느끼는 정도와 대응은 전공별로 차이가 있는 것으로 나타났다. 셋째, 교사의 4가지 대응 유형을 통해 타전공 과학교사들은 자신이 가진 CK와 PCK로 물리 지식의 성격을 온전하게 드러내는 데 한계가 있는 것으로 나타났다. 본 연구의 결론을 중심으로 한 제언 및 시사점은 다음과 같다. 우선 추상적인 개념, 수식으로 표현된 법칙, 이상조건에 대한 물리 영역 교과서 분석 연구를 통해 타전공 교사들을 위한 가이드를 제공할 필요가 있다. 둘째, 전공별로 차별화된 타전공 영역 수업에 대한 지원이 필요하다. 이와 더불어 물리학, 화학, 생물, 지구과학 교과의 특성에 대한 비교연구를 통해 교사들의 전공 특성을 물리 영역 지도를 위한 PCK 향상에 반영할 필요가 있다. 마지막으로 사범대학 과학교육 내용학 강의가 세부 전공이 다르더라도 교사가 자신이 가르칠 교과목의 주요 관점, 핵심 아이디어 등을 가르칠 수 있도록 준비시키는 교사를 위한 과학이 되도록 변화해야 할 것이다. 본 연구는 타전공 교사의 구체적인 사례를 통해 물리 영역 수업에서의 어려움과 대응의 차이를 심층적으로 살펴봄으로써 중학교 과학 교실 현장을 이해하고 중등 과학교사교육에 시사점을 주는 데 의의가 있다.