중학교 과학에서의 그래프 활용

Abstract

디지털 기술의 발달은 현대 사회의 다양한 변화를 촉진하였다. 일상에서 사용하는 도구들이 디지털 도구로 전환되었고, 개인이 관리하고 활용하는 데이터의 종류와 양도 증가하였다. 특히 과학교육에서는 탐구 도구를 디지털 도구로 전환하고자 하는 요구가 커졌으며, 데이터를 다루는 대표적 능력인 그래프 활용 능력의 중요성도 더욱 강조되었다. 이러한 시점에서 과학교육은 어떤 그래프 활용 능력을 강조하고, 이를 위한 그래프 활용 도구로 디지털 도구가 어떻게 적용되는지 살펴보고 시사점을 얻는 것은 중요한 문제이다. 그래프 활용 능력에 관한 선행 연구는 학생이나 예비 교사의 어려움, 학업 성취도와의 연관성 등에 대한 분석이 주를 이루어 그 범위가 제한적이다. 과학교육에서 그래프 활용 능력이 어떻게 가르쳐지고 있는지를 이해하기 위해서는 학생뿐만 아니라 교과서와 교사를 대상으로 보다 확장되고 구체화 된 연구가 필요하다. 최근 학교의 과학교육 환경은 지능형 과학실, 학생 개인용 스마트 기기 보급, 무선 인터넷망 설치 등의 정책이 이어지며 디지털 기반 환경으로 급속히 변화하고 있다. 이와 함께 2022 개정 과학과 교육과정에서도 센서와 같은 디지털 탐구 도구가 명시적으로 도입되었다. 반면에 교사와 학생이 디지털 도구 활용에 어려움을 겪고 있다는 선행 연구들의 지적이 있었다. 이는 현시점에서 디지털 도구가 교과서와 교사에 의해 실제로 어떻게 적용되고 있는지 살펴볼 필요가 있음을 시사한다. 본 연구는 수업의 기초 자료인 교과서와 수업 실행의 주체인 교사가 어떤 그래프 활용 능력과 그래프 활용 도구를 강조하는지 살펴보고자 한다. 이는 앞으로 진행될 디지털 교육 환경 속 그래프 활용 과학교육을 더 깊이 있게 이해하는 중요한 과정이 될 것이다. 연구 질문은 다음과 같다. (1) 중학교 과학 교과서에서 학생에게 주로 요구하는 그래프 활용 능력과 이를 위해 제안하는 그래프 활용 도구는 무엇인가? (2) 중학교 과학 교사가 학생에게 중요하게 가르치는 그래프 활용 능력과 이를 위해 선택하는 그래프 활용 도구는 무엇인가? 연구는 교과서 분석, 교사 설문 및 개별 면담 순으로 진행되었다. 교과서 분석을 위해 2015 개정 교육과정에 따른 중학교 과학 교과서 1종을 선정하였다. 다음으로 중학교 1～3학년 교육과정에 제시된 탐구활동과 이를 구현한 교과서의 탐구활동을 추출하였다. 이후 변인 간의 관계를 다루고 있는 18개의 탐구활동을 최종 분석 대상으로 선정하였다. 그래프 활용 능력 분석을 위해 Mckenzie & Padilla(1986)가 제안한 그래프 활용 능력 검사 도구인 Test of Graphing in Science(TOGS)의 9가지 그래프 활용 능력을 분석틀로 활용하였다. 그래프 활용 능력은 5가지 그래프 구성 능력(축에 눈금 매기기, 축에 변인 지정하기, 좌푯값을 찾아 점찍기, 추세선 그리기, 제시된 데이터를 그래프로 변환하기)과 4가지 그래프 해석 능력(가로축과 세로축에 해당하는 값 찾기, 내삽과 외삽하기, 변인 간의 관계 설명하기, 2개 이상의 그래프 결과 연관시키기)을 포함한다. 분석 과정에서 TOGS에는 없지만 분석 대상 교과서는 요구하는 그래프 구성 능력 1가지(점을 연결하는 선 그리기)와 그래프 해석 능력 2가지(그래프에서 의미 있는 값 찾기, 예상한 결과와 실제 그래프에 나타난 결과 비교하기)를 추가하여 총 12가지의 그래프 활용 능력을 기준으로 분석하였다. 또한, 탐구활동에 제시된 그래프 활용 도구는 아날로그 도구와 디지털 도구로 구분하여 분석하였다. 다음으로 교사 설문은 온라인으로 총 55명의 응답을 수집하여 분석하였다. 설문 문항은 교과서 분석을 통해 도출된 12가지 그래프 활용 능력과 그래프 활용 도구 사용 경험을 중심으로 구성하였다. 마지막으로 교사 설문 결과를 더 깊이 있게 이해하기 위해 반구조화된 개별 면담을 실시하였다. 개별 면담 대상자는 아날로그 및 디지털 그래프 활용 도구를 모두 사용한 경험이 있는 교사 중 선호 도구의 유형에 따라 아날로그 도구 선호(2명), 디지털 도구 선호(3명), 둘 다 선호(3명)로 구분하여 총 8명을 선정하였다. 개별 면담 자료는 전사 후 그래프 활용 능력, 그래프 활용 도구, 기타(수학과의 관계, 그래프 수업의 필요성 등)를 프레임으로 설정하고 프레임워크 분석법을 통해 분석하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서는 그래프 구성 능력보다 그래프 해석 능력을 주로 요구하고, TOGS에서 제시하지 않은 그래프 활용 능력도 요구하였다. 둘째, 교과서는 그래프 활용 도구 중에서 펜, 모눈종이, 자와 같은 아날로그 도구를 제안하였다. 디지털 도구는 그래프 활용 도구로 제안된 사례가 없었으며 주로 측정이나 데이터 수집 용도로만 제안되었다. 셋째, 교사도 그래프 구성 능력보다 그래프 해석 능력을 중요하게 가르치는 것으로 나타났다. 또한 아날로그 도구를 활용할 때는 구성 능력을 더 강조하고, 디지털 도구를 활용할 때는 해석 능력을 더 강조하였다. 넷째, 교사들은 그래프 활용 도구를 선택할 때 상황에 따라 아날로그 도구와 디지털 도구를 선택적으로 사용하는 방식을 가장 선호하였다. 다음으로는 디지털 도구와 아날로그 도구 순으로 선호하였다. 결론적으로 과학교육에서는 (1) 그래프 구성 능력과 그래프 해석 능력이 불균형하게 다루어지지 않도록 신중하게 접근할 필요가 있다. (2) 그래프 구성 능력 중 변인이나 경향성과 관련된 세부 능력은 보다 적극적으로 다루어질 필요가 있다. (3) 최근 우리나라 과학교육 상황을 반영하여 그래프 활용 능력 검사 도구의 재검토가 필요하다. (4) 교과서와 교사 간의 디지털 도구 적용 수준의 격차를 줄이기 위한 노력이 필요하다. 본 연구를 통해 다음과 같은 제언을 하고자 한다. 디지털 교육 환경에 맞는 새로운 과학 그래프 활용 능력 분석틀과 이를 위한 검사 도구의 개발이 요구된다. 또한 교과서가 제안하는 활동에서 그래프 구성 활동을 보완하고, 디지털 도구도 조금 더 적극적으로 활용하여 교과서와 교사가 지향하는 수업의 간극을 줄이는 방안을 모색해야 한다. 이와 함께 디지털 도구의 강점과 약점에 관해 균형 잡힌 인식을 가질 수 있도록 예비 교사 교육 및 교사 연수를 강화해야 한다. 마지막으로 그래프 해석 능력뿐만 아니라 구성 능력도 균형감 있게 다루는 방안을 고려해야 한다. 학생들은 그래프 구성과 해석 중 구성 능력에서 더 큰 어려움을 겪고 있으며, 구성 능력은 해석 능력과 밀접한 관계를 맺기 때문이다.

The development of digital technology has facilitated many changes in modern society. Everyday tools have been transformed into digital tools, and the amount and variety of data that individuals manage and utilise have increased. In science education in particular, there has been a growing need to convert inquiry tools to digital tools, and the importance of graphing skills, a fundamental for data handling, has been emphasised. At this juncture, it is important to examine which graphing skills are emphasised in science education and how digital graphing tools are applied to derive meaningful implications. Previous research on graphing skills is limited in scope, focusing on analyses of students and pre-service teachers' difficulties and their associations with academic achievements. To understand how graphing skills are taught in science education, research needs to be expanded and refined to include textbooks and teachers as well as students. In recent years, the science education environment in schools has been rapidly transforming into a digitally-based environment, with policies such as intelligent science labs, the distribution of personal smart devices to students, and the installation of wireless internet networks. In addition, the 2022 Revised Science Curriculum explicitly introduces digital exploration tools such as sensors. On the other hand, previous studies have pointed out that teachers and students have difficulties using digital tools. This suggests that it is necessary to examine how digital tools are currently applied in practice by textbooks and teachers. This study aims to examine what graphing skills and graphing tools are emphasised by textbooks, which are the basis for teaching, and by teachers, who are the main actors in teaching. This will be a significant step towards a deeper understanding of graph literacy science education within the context of a digital education environment. The research questions are as follows. (1) What graphing skills do middle school science textbooks mainly require students to develop and what graphing tools do they suggest for this purpose? (2) What graphing skills do middle school science teachers emphasise for students and what graphing tools do they choose for this purpose? The study consisted of textbook analysis, teacher surveys, and individual teacher interviews. For the textbook analysis, one junior high school science textbook based on the 2015 revised curriculum was selected. Next, I analysed the inquiry activities presented in the curriculum for grades 1 to 3 of middle school and the inquiry activities in the textbook that implemented them. Then, 18 inquiry activities that deal with the relationship between variables were selected for the final analysis. For the analysis of graphing skills, this study adopted the nine graphing skills of the Test of Graphing in Science (TOGS), the graphing skills measurement tool developed by McKenzie & Padilla (1986), as the framework for the analysis. The graphing skills include five graph construction skills (tick marks on axes, assigning variables to axes, locating and plotting coordinate values, plotting trend lines, and converting presented data into graphs) and four graph interpretation skills (finding values on the horizontal and vertical axes, interpolating and extrapolating, describing relationships between variables, and relating results from two or more graphs). In the course of the analysis, we added one graph construction skill (drawing a line connecting points) and two graph interpretation skills (finding meaningful values in a graph, and comparing the expected results with the actual results on the graph), which are not included in TOGS but required by the textbooks analysed, becoming a total of 12 graphing skills. In addition, the graphing tools presented in the inquired activities were divided into analogue and digital tools. Next, a total of 55 responses were collected online for the teacher questionnaire, which was then analysed. The survey questions were designed to examine 12 graphing skills identified through the textbook analysis. Finally, semi-structured individual interviews were conducted to gain a deeper understanding of the teacher survey results. A total of eight teachers with experience using both analogue and digital graphing tools were selected for the individual interviews, divided into those who preferred analogue tools (two), those who preferred digital tools (three), and those who preferred both (three). The individual interview data were transcribed and analysed using the framework analysis method with the frames of graphing skills, graphing tools, others (relationship with mathematics, need for graphing lessons, etc.). The main findings of the study are as follows. First, textbooks mainly demanded graph interpretation skills rather than graph construction skills, and also demanded graphing skills that were not suggested by the TOGS. Second, textbooks suggested analogue tools such as pens, graph paper, and rulers among graphing tools. Digital tools were never suggested as graphing tools and were mainly used for measurement or data collection. Third, teachers also emphasised the importance of graphing skills over graph construction skills, with more emphasis on construction skills when using analogue tools and more emphasis on interpretation skills when using digital tools. Fourth, when choosing graphing tools, teachers preferred to selectively use analogue and digital tools depending on the situation. Next, they preferred digital tools followed by analogue tools. In conclusion, (1) efforts are needed to prevent an imbalance between graph construction skills and interpretation skills. (2) Among graph construction skills, those related to variables and trends should be more actively emphasized. (3) A review of graphing skills measurement tools is necessary to better reflect the current state of science education in South Korea. (4) Efforts should be made to reduce the gap between textbooks and teachers in the application of digital tools. From this research, we make the following recommendations. There is a need to develop a new analytical framework for science graphing skills and a screening tool for digital educational environments. It is also necessary to complement the graphing activities proposed by textbooks with more active use of digital tools to bridge the gap between textbooks and teacher-oriented instruction. In addition, pre-service and in-service teacher education should be strengthened to emphasise the strengths of digital tools in overcoming students' graphing difficulties and the limitations of automating graph construction activities. Finally, consideration should be given to balancing graph interpretation and construction skills. Students are more likely to struggle with constructing graphs than interpreting them, and construction skills are closely related to interpretation skills.