과학고등학교 개방적 탐구 계획 및 수행 과정에서 학생이 겪는 어려움과 교사의 교수 행동 분석

Abstract

The purpose of this study is to analyze the difficulties experienced by students and the teaching behaviors of teachers during the planning and carrying out of open inquiry by science high school students, and to propose implications for the implementation and guidance of open inquiry. The participants of this study included two first-year students and one physics teacher from Z Science High School. The students participated in open inquiry activities over the course of 34 sessions in an integrated science inquiry class. The two students worked as a team to conduct the open inquiry, while the physics teacher taught their open inquiry. The data collected in this study comprised students' output materials, observations of intensive inquiry activities, and interview data. The output materials included research proposals, research plans, intensive inquiry activity plans, and research papers. The observational data for intensive inquiry activities were collected through video and audio recordings of activities conducted over 27 sessions, which were then transcribed. The interview data were collected using semi-structured interview guides; the teacher participated in two individual interviews, each lasting 50 minutes, and the students participated in two group interviews, each lasting 50 minutes. All interviews were recorded and transcribed. To microscopically analyze the process of students' open inquiry planning and carrying out, the stages of open inquiry were categorized into the following detailed steps: exploring topic, selecting topic, generating the hypothesis, investigating the known, analyzing the pretest, designing the experiment, setting up the experiment, and performing the experiment. In each step, the challenges faced by students and the teaching behaviors of teachers were analyzed. Two science education experts participated in the analysis of teaching behaviors. The results of the analysis of students' open inquiry planning and carrying out processes are as follows: First, the open inquiry processes of the students were non-linear, with iteration of certain stages as they designed and conducted supplementary experiments impromptu as needed. Particularly, when they observed anomalous phenomena and failed to resolve them, they abandoned the topics and repeated the exploring topic stage. Second, analyzing the difficulties experienced by the students in open inquiry revealed discrepancies between the difficulties perceived by the students and those perceived by the teacher. The students reported difficulties in the stages of exploring topic, investigating the known, designing, setting up, and performing the experiment stages. Specifically, they faced challenges due to a lack of time and insufficient knowledge of the tools required for experiment setup and scientific content. In contrast, the teacher perceived that the students encountered difficulties in the stages of selecting topic, generating the hypothesis, designing the experiment, and performing the experiment. Third, the analysis of the teacher's teaching behaviors indicated that these behaviors occurred more frequently during the inquiry planning process and varied in frequency and type across the different inquiry stages. Diverse frequencies and types of teaching behaviors were observed during the stages of selecting the topic, designing the experiment, and performing the experiment, while no teaching behaviors were observed during the exploring topic and analyzing the pretest stages. Three patterns emerged in the onset of teaching behaviors, starting with the teacher asking information-request questions related to the inquiry or observing the students' inquiry. Following the onset of teaching behaviors, a cyclical pattern of student observation, information-request questions, and teaching behaviors was observed. The conclusions drawn from the analysis of the open inquiry planning and carrying out process are as follows: First, there is a need to provide opportunities for analyzing the pretest before moving on to the experiment setting up and performing the experiment stages to assess the feasibility of the experiments. In other words, incorporating activities that allow students to determine whether the planned observations and measurements can be achieved and whether any anomalies are observed during the inquiry planning process is necessary. Such activities could help reduce trial-and-error and address time constraints encountered by students during the open inquiry process. Second, it is necessary to offer opportunities for students to explore the tools required to establish measurement and experimental environments related to their inquiry. By supporting students in exploring and learning how to use measurement and crafting tools during designing the experiment stage, the difficulties faced during designing and setting up the experiment stages could be mitigated. Third, to effectively guide open inquiry, the teacher needs to accurately understand the students' inquiry processes and provide teaching behaviors based on this understanding. By identifying the difficulties students face at each stage of the inquiry and providing appropriate teaching behaviors, teachers can help students self-directedly conduct open inquiries by reducing the challenges encountered during the planning and carrying out of open inquiries. This study has limitations in generalizing the results as it involved only two students and one teacher focusing on physics-themed open inquiry class at a science high school. Therefore, it is necessary to broaden the research to include participants with diverse backgrounds and approaches to open inquiry, as well as to cover various fields including physics, to more comprehensively analyze the characteristics of open inquiry. Keywords : science high school, open inquiry, planning, carrying out, iteration, difficulties, teaching behavior Student Number : 2022-22189

본 연구의 목적은 과학고등학교 학생의 개방적 탐구 계획 및 수행 과정에서 학생이 겪는 어려움과 교사의 교수 행동을 분석하여 개방적 탐구의 운영 및 지도에 대한 시사점을 제안하는데 있다. 본 연구의 연구 참여자는 Z과학고등학교 1학년 학생 2명과 물리학 지도교사 1명이며, 학생들은 융합과학 탐구 수업에서 34차시에 걸쳐 개방적 탐구 활동에 참여하였다. 2명의 학생은 팀을 이루어 개방적 탐구를 수행하였으며, 물리학 지도교사는 학생들의 탐구를 지도하였다. 본 연구에서 수집된 자료는 학생들이 작성한 산출물 자료, 집중탐구 활동 관찰 자료, 면담 자료이다. 산출물 자료는 연구 신청서, 연구 계획서, 집중탐구 활동 계획서 및 연구 논문이다. 집중탐구 활동 관찰 자료는 27차시 동안 진행된 활동을 녹화 및 녹음하여 수집하고 전사하였다. 면담 자료는 반구조화된 면담지를 활용하여 수집되었으며, 교사는 50분씩 2회의 개인 면담, 학생들은 50분씩 2회의 그룹 면담을 실시하였다. 모든 면담은 녹음 후 전사되었다. 학생들의 개방적 탐구 계획 및 수행 과정을 미시적으로 분석하기 위하여 개방적 탐구 계획 및 수행 과정을 주제 탐색, 주제 선택, 가설 창안, 정보 탐색, 예비 실험, 실험 설계, 실험 셋업, 실험 수행의 세부 단계로 구분하고, 세부 단계에서 학생이 겪는 어려움과 교사의 교수 행동을 분석하였다. 교수 행동 분석에는 과학교육 전문가 2인이 참여하였다. 학생들의 개방적 탐구 계획 및 수행 과정을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 학생들의 개방적 탐구 과정은 비선형적(non-linear)이었으며, 필요에 따라 즉흥적으로 부속 실험을 설계하고 수행하는 등 특정 단계가 반복적으로 나타났다. 특히 이상 현상을 관찰하고 이를 해결하는 것에 실패할 경우 주제를 포기하며 주제 탐색 단계를 반복하는 것으로 나타났다. 둘째, 개방적 탐구에서 학생들이 겪는 어려움을 분석한 결과 학생들이 인식한 어려움과 교사가 인식한 어려움에는 차이가 있었다. 학생들은 주제 탐색, 정보 탐색, 실험 설계, 실험 셋업, 실험 수행 단계에서 어려움을 겪었다고 인식하였다. 특히 학생들은 시간 부족과 실험을 셋업하기 위한 도구에 대한 지식 및 과학 내용 지식 부족으로 인하여 어려움을 겪는 것으로 나타났다. 반면 교사는 학생들이 주제 선택, 가설 창안, 실험 설계, 실험 수행 단계에서 어려움을 겪었다고 인식하였다. 셋째, 교사의 교수 행동을 분석한 결과 교사의 교수 행동은 탐구 계획 과정에서 더 많이 나타났으며, 탐구 단계별로 빈도와 유형이 다르게 나타났다. 주제 선택, 실험 설계, 실험 수행 단계에서는 교수 행동의 빈도와 유형이 다양하게 나타났으나, 주제 탐색과 예비 실험 단계에서는 교수 행동이 나타나지 않았다. 교수 행동이 나타나기 시작하는 패턴에는 세 가지 유형이 있었으며, 교수 행동은 교사가 학생에게 탐구와 관련된 정보 요청 질문을 하거나 학생의 탐구를 관찰한 이후에 나타나기 시작하였다. 교수 행동이 나타난 이후 학생 관찰과 정보 요청 질문, 교수 행동이 순환적으로 나타났다. 본 연구에서 개방적 탐구 계획 및 수행 과정을 분석하여 도출한 결론은 다음과 같다. 첫째, 실험 셋업 및 수행 단계로 넘어가기 전 예비 실험의 기회를 제공하여 실험 가능성을 판단할 수 있는 기회가 마련될 필요가 있다. 즉, 예비 실험의 기회를 부여하여 학생들이 탐구 계획 과정에서 목표한 관찰과 측정이 가능한지, 이상 현상이 관찰되지는 않는지를 확인할 수 있는 활동이 추가될 필요가 있다. 이러한 활동은 학생들이 개방적 탐구 과정에서 겪는 시행착오를 줄이고 시간부족 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 둘째, 학생들이 탐구와 관련된 측정 도구와 실험 환경을 구축하기 위한 도구를 탐색할 수 있는 기회를 제공할 필요가 있다. 실험 설계 단계에서 학생들이 측정 도구 및 공작 도구를 탐색하고 활용 방법을 학습할 수 있도록 지원함으로써 실험 설계 및 실험 셋업 단계에서 겪는 어려움을 줄일 수 있을 것으로 보인다. 셋째, 개방적 탐구를 효과적으로 지도하기 위하여 교사는 학생의 탐구 과정을 정확히 파악하고, 이를 근거로 교수 행동을 제공해야 한다. 탐구의 각 단계에서 학생들이 겪는 어려움을 파악하고 이에 적절한 교수 행동을 제공한다면, 개방적 탐구 계획 및 수행 과정에서 학생들이 겪는 어려움을 줄임으로써 학생들이 개방적 탐구를 주도적으로 수행하는 것에 도움이 될 것으로 보인다. 본 연구는 과학고등학교 융합과학 탐구 수업의 개방적 탐구에서 물리학을 주제로 선택한 학생 2명과 지도교사 1명을 대상으로 하였기 때문에 결과를 일반화하기에는 한계가 있다. 따라서 개방적 탐구를 운영하는 다양한 방식과 배경을 가진 연구 참여자, 그리고 물리학을 포함한 다양한 영역으로 연구를 확대하여 개방적 탐구에서 나타나는 특징을 더욱 폭넓게 분석할 필요가 있다. 주요어 : 과학고등학교, 개방적 탐구, 탐구 계획, 탐구 수행, 반복적 수행, 어려움, 교수 행동 학 번 : 2022-22189