변인 통제 강화 수업 모형의 세 단계는 한 주제 안에 순환적으로 이루어진다. 이전 주제와 이어져 다음 주제에 다시 ‘I, II, III 단계’를 순환하고, 활동은 점차 난이도가 높아지면서 전체 프로그램은 Fig. 2와 같이 순환적으로 이루어진다.

Fig. 2.Application of the Model.

변인 통제 강화 프로그램의 개발

변인 통제 강화 모형을 학교 현장에서 실질적으로 활용할 수 있도록 구체화한 수업 프로그램을 개발하고 적용하였다. 수업 프로그램을 적용할 때 다음과 같은 점에 초점을 맞추었다.

첫 번째로, 변인이 통제 되지 않은 상황을 제시할 때 몇 개의 변인을 제시하는가이다. 실험 목표에서 종속 변인에 대해 언급한 뒤에 원인이 되는 조작 변인을 찾도록 한다. 변인 통제 활동에 익숙하지 않은 학생들의 수준을 고려하여 독립 변인의 수가 초기에는 적게, 후반부로 갈수록 점차 늘어나도록 구성하였다. 첫 번째 주제인 ‘용수철이 늘어나는 길이 측정하기’에서 독립 변인은 ‘용수철의 굵기’와 ‘추의 질량’의 두 가지였다. 이후 독립 변인의 수가 점차 늘어나 세 번째 주제인 ‘발생하는 기체의 양 측정하기’에서는 ‘묽은 염산의 농도, 묽은 염산의 부피, 탄산수소나트륨의 질량’의 세 가지 독립 변인을 제시하였고, 다섯 번째 주제인 ‘자가 구부러지는 정도 알아내기’에서는 ‘자의 너비, 자의 두께, 자의 재질, 자가 책상 밖으로 나온 길이, 매달린 추의 질량’의 다섯 가지 독립 변인을 제시하였다.

두 번째로, 학생들이 종속 변인, 조작 변인, 통제 변인의 설계 과정에서 어떻게 도움을 줄 것인가이다. ‘변인 통제되지 않은 실험’을 수행하여 결론을 내리고, 이 결론을 평가하여 변인 통제의 필요성을 인식한 후에 실제로 학생들이 실험을 설계하고 수행하게 된다. 학생들이 변인을 계획하는데 도움을 주고자 ‘4. 자신의 결론 내려보기’에서 변인의 목록을 작성하고, 각 변인의 값을 기록하도록 하였다. 초기 활동에서는 Fig. 3의 (a)처럼 변인의 목록을 작성하는데 도움이 될 수 있도록 양식을 제시한다. 그러나 학생들이 변인을 통제하여 설계하는 활동에 익숙해진 후에는 Fig. 3의 (b)처럼 다른 상황에 적용할 수 있도록 변인을 설계하는 양식을 ‘개방형’으로 제시한다.

Fig. 3.Sample of the Program.

세 번째로, 자신의 결론을 되돌아보는 활동을 어떻게 할 것인가이다. ‘III. 실험 되돌아보기’단계는 에서 실험을 계획한대로 수행하여 얻어진 결과를 바탕으로 내린 결론을 평가하는 단계이다. 학생들에게 결론이 옳은지를 질문하여 실험 과정이 올바르게 계획되고 수행되었는지를 되돌아보도록 한다. 이 단계에서는 Fig. 3과 같이 ‘지금 내린 결론이 옳다고 생각하는가? 그렇게 생각하는 이유는 무엇인지 자세하게 적어 보자’와 같이 구체적으로 질문한다.

본 연구에서 개발한 변인 통제 강화 프로그램은 ‘용수철이 늘어나는 길이’, ‘링비행기가 날아간 거리’, ‘발생하는 기체의 양’, ‘진자의 주기’, ‘자가 구부러지는 정도’, ‘지우개가 움직인 거리’, ‘물이 올라온 높이’, ‘거품의 양’, ‘바람차가 움직인 거리’의 총 9개 주제로 구성되어 있다. 전반부의 활동보다는 후반부 활동으로 갈수록 활동에 포함된 독립 변인의 개수가 늘어나고, 변인 통제 활동의 난이도는 높아진다. 한 주제 당 소요 시간은 대략 100분 내외이다.

수업 프로그램 적용에 따른 과학적 사고력 변화

본 연구에서 개발한 모형에 따른 수업이 연구 대상 학생들의 과학적 사고에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실험 집단과 통제 집단의 사전·사후의 로슨 SRT 점수를 비교하고 그 변화를 분석하였다. 보다 정확한 결과를 얻기 위하여 실험 집단 학생 30명과 통제 집단 학생 30명의 응답 내용 중에서 불성실하게 답변하거나 응답하지 않은 경우를 제외하였다. 실험 집단 학생 27명과 통제 집단 학생 27명의 사전·사후 로슨 SRT 점수는 Table 1과 같다.

Table 1.Means and standard deviations for the Lawson's SRT

Table 2.ANCOVA result on the Lawson's SRT

과학적 사고력 점수의 총점은 12점이고, 각 논리는 해당 문항의 평균값으로 측정하여 최고점을 1점으로 한다. 사전 검사와 사후 검사에서 두 집단의 조합 논리, 상관 논리에 해당하는 점수가 매우 낮게 나왔다. 이는 해당 문항이 중학교 2학년 수준에는 어렵기 때문일 수도 있고, 검사의 후반부에 풀기 때문에 학생들의 집중력이 낮아져서 일수도 있다. 따라서 검사 시간을 늘리고, 조합 논리와 상관 논리에 대한 문항을 좀 더 학생들이 이해하기 쉽게 수정해야 할 것이다.

사후 검사에서 실험 집단과 통제 집단의 로슨 SRT 총점은 모두 상승하였다. 실험 집단의 보존 논리와 변인 통제 논리, 상관 논리 점수는 상승하였고, 확률 논리와 조합 논리 점수는 하락하였다. 이러한 점수 차이가 통계적으로 유의미한지 알아보기 위하여 공변인을 사전 검사 점수로 하여 공변량 분석을 실시한 결과는 Table 2와 같다. 분석 결과 과학적 사고 총점은 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다. 과학적 사고의 하위 항목에 대하여 살펴보면, 분류 논리와 변인 통제 논리, 상관 논리의 교정 평균이 통제 집단보다 다소 높았으나 이 차이 또한 통계적으로 유의미하지 않았다. 약 8개월에 걸친 변인 통제 강화 프로그램 적용으로는 학생들의 과학적 사고력이 향상되지 않음을 알 수 있다. 두 집단의 과학적 사고력이 모두 상승하였으나 과학적 사고력 수준의 변화를 보일 정도는 아닌 것을 보아, 사전 검사와 사후 검사가 이루어지는 기간 동안의 자연적인 발달의 의한 것으로 생각된다. 또한 실험 집단과 통제 집단의 학생 수가 적어 통계적으로 유의미한 결과를 얻지 못했기 때문일 수 있다. 이는 학생들의 인지발달 가속효과는 1년 이상의 긴 시간을 필요로 한다는 연구30,31와 비슷한 결과를 보이는 것이다. 따라서 본 연구에서 개발한 변인 통제 강화 프로그램의 적용이 학생들의 과학적 사고력에 미치는 영향을 알아보기 위해서는 좀 더 다수의 학생들을 대상으로 하여 장기적으로 연구를 진행해야할 것으로 생각된다.

수업 프로그램 적용에 따른 변인 통제 유형 변화

학생들이 변인을 통제하는 유형이 어떻게 달라졌는지를 분석하였다. 연구 중에 전출한 학생 1명을 제외한 나머지 29명의 수업 전·후 유형 변화를 Table 3에 나타내었다. 표의 가로줄에는 사전 검사에서 알아낸 변인 통제 유형을, 세로줄에는 사후 검사에서 알아낸 변인 통제 유형을 표시하였다. 사전에 실시한 유형 분석에서 유형A의 활동을 하는 학생이 3명(10.3%), 유형B의 활동을 하는 학생이 7명(24.1%)이었다. 유형C는 6명(20.7%), 유형D는 2명(6.9%), 유형E는 5명(17.2%), 유형F는 6명(20.7%)으로 각 유형에 분산되어 있었다.

Table 3.Comparison of the Types of Controlling Variables between Pre-test and Post-test

Table 4.Distribution of the Types of Controlling Variables

그러나 Table 3에서 볼 수 있듯이, 유형F였던 6명의 학생 중 3명이 유형A로, 2명이 유형B로 변화하였다. 또한 유형E, 유형D, 유형C의 학생들도 대부분 유형A나 유형B로 변화하였다. 다시 말하면, 사후에는 29명 중 26명(89.7%)의 학생들이 변인을 바르게 설정하고, 주어진 문제에서 종속 변인이나 조작 변인을 찾아 설계할 수 있는 유형A나 유형B의 활동을 하는 것으로 나타났다. 이는 변인 통제 실험을 설계하고 수행하는 활동을 반복함에 따라 실험 설계를 할 때 주어진 문제에서 조작 변인이나 종속 변인을 찾고, 그 이외의 필요한 변인을 통제할 수 있는 능력이 향상되었음을 의미한다.

학생들의 과학적 사고 수준에 따라 각 사고 수준에서 변인 통제 유형이 어떻게 나타났는지를 알아보기 위해, 사후 로슨 SRT 점수로 구분한 학생들의 사고 수준에 따른 변인 통제 유형 분포를 Table 4에 나타내었다. 학생들의 과학적 사고 수준을 경험 귀납적 사고기, 과도기, 가설 연역적 사고기의 세 단계로 구분하였으며, 각 사고 수준에 따른 변인 통제 유형을 나타내었다. 사후에 실시한 변인 통제 유형 분석에서 가설 연역적 사고기의 학생 1명이 유형A에, 과도기의 학생 7명 중 5명이 유형A, 2명이 유형B에 분포하였다. 대부분의 학생들은 경험 귀납적 사고기이며, 해당 학생 21명 중 10명이 유형A, 8명이 유형B에 분포하고 있다. 이는 과학적 사고 수준과 별도로 변인 통제의 필요성을 인식하지 못했던 학생들도 수업을 받은 후에 조작 변인이나 종속 변인, 통제 변인을 찾아내어 실험을 설계할 수 있게 되었다는 의미이다. 또한 경험 귀납적 사고기와 가설 연역적 사고기 사이의 과도기에 해당하는 학생들도 사전에는 불필요 변인을 배제하지 못하는 유형E나 통제 변인을 바르게 설계하지 못하는 유형C를 보였으나, 사후에는 유형A, 유형B의 활동을 하게 되었다. 이 결과를 보면, 약 8개월에 걸친 프로그램의 적용으로 과학적 사고 수준이 두드러지게 변화하기는 어려우나 반복적인 훈련에 의해 실질적으로 실험에서 변인을 찾고 통제하는 능력은 향상될 수 있음을 알 수 있다.

또한 프로그램 적용 전에 변인 통제 유형 분류에서는 ‘실험을 해야 한다.’나 ‘시간을 잰다.’ 등 실험에서 어떤 변인을 어떻게 할지 전혀 설계하지 못했던 유형F의 학생들이 수업 적용 후 다른 유형의 활동을 보였다. 이 학생들은 프로그램 적용 후에 조작 변인으로 ‘누가’ 계단을 왕복할지를 설정하고, ‘시간’을 종속 변인으로 찾아내었다. 또한 실험을 수행하는 장소, 오르내리는 칸 수, 옷차림 등의 주요한 변인을 일정하게 유지하여 설계하였다.

수업 프로그램에 대한 학생들의 의견

프로그램에 따른 수업을 모두 마친 후에 실험집단 29명 학생들을 대상으로 수업 프로그램에 대한 학생들의 의견을 설문 조사하고 분석한 결과는 다음과 같다.

첫 번째로 프로그램 활동 시 좋았던 점에 대해 질문하였다. 이에 대해 21명(72.4%)의 학생들이 평소에 해보지 못했던 실험이나 재미있는 실험을 한 것이라고 응답하였다. 5명(17.2%)은 모둠별 활동을 통해서 다른 친구들과 협동하여 활동했던 점이나 자유롭게 실험할 수 있었던 점 등 태도와 관련되어 긍정적인 반응을 보였다.

두 번째로 프로그램 활동을 하면서 가장 어려웠던 점에 대한 질문에 17명(58.6%)이 보고서를 작성하는 것이 어려웠다고 답하였다. 다음으로 9명(31.0%)은 고려해야 하는 변인의 개수가 많은 ‘지우개가 움직인 거리’, ‘바람차가 움직인 거리’와 같은 실험이 어려워서 이해가 되지 않았다고 답하였다.

세 번째로 활동이 자신에게 어떤 면에서 도움이 되었다고 생각하는가라고 질문하였다. 이에 대해 11명(37.9%)은 평소보다 더 깊게 생각하고, 많이 생각하고, 여러 가지 방면으로 생각했던 점 등으로 사고와 관련하여 도움이 되었다는 의견을 내었다. 비슷한 의견으로 논리적으로 생각해볼 수 있었다는 점, 과학적으로 생각할 수 있었다는 점 등도 있었다. 그 다음으로 5명(17.2%)은 과학 내용과 관련하여 ‘조작 변인, 종속 변인, 통제 변인 등을 배웠을 때 도움이 되었다.’와 같이 수업 시간에는 별로 사용하지 않았던 용어를 알게 된 점이라 답하였다. 또한 학교 과학 시간에는 하지 않는 주제의 실험 수행이라 답한 학생이 4명(13.8%), 보고서를 정리하거나 결론을 내리는 점 등 실험과 관련된 능력을 수행했던 점이 도움이 되었다는 의견을 낸 학생이 4명(13.8%)이었다.

네 번째로 활동 과정 중 과학적인 생각이 가장 많이 필요했던 단계는 무엇이었으며, 그 이유가 무엇인가에 대하여 질문하였다. 이에 대한 의견은 다른 질문에 비해 비교적 다양하게 나타났다. 8명(27.6%)은 실험을 계획하면서 변인을 설계하는 단계였다고 답하였다. 또한 7명(24.1%)은 자신들이 평소에 접하지 않았던 실험을 계획하고 수행할 때, 이와 유사하게 6명(20.7%)은 실험을 수행하는 과정 전체라고 답하였다. 그 밖에 수업 모형의 ‘III 실험 되돌아보기’ 단계의 결론을 평가하는 활동에 대해 ‘자신의 생각이 옳다고 생각하나, 왜 그런가와 같은 문제를 풀 때’라고 응답한 학생이 3명(20.3%)이었다.

다섯 번째로 모둠원과의 토론이 가장 필요했던 과정은 무엇인지 질문하였다. 이에 대해 10명(34.5%)이 ‘실험할 때 무엇을 같게 하고 무엇을 다르게 해야 될지에 대해서 많이 토론했다’, ‘실험 계획 세우거나 결론 정할 때’, ‘바람차 날리기에서 바람차 몸통을 어떻게 만들어야 하나 의견을 주고 받았다’. 와 같이 변인을 설계하는 단계라고 답하였다. 그 뒤를 이어 6명(20.7%)이 실험을 수행하여 얻어진 실험 결과를 정리하는 것이라 답하였고, 5명(17.2%)은 결과를 바탕으로 결론을 이끌어내는 활동이라 답하였다. 4명(13.8%)은 실험 주제가 생소한 경우에도 토의를 통해서 문제를 해결했다고 답하였다.

마지막으로 활동을 하면서 느낀 점을 자유롭게 답변하도록 한 질문에 대해 ‘협동심이 많이 길러졌고, 처음에 문제 푸는 게 힘들었지만 실험이 재미있어서 좋았다’, ‘재미있던 실험과 지루했던 실험들이 있었지만 과학 놀이를 통해 어떤 조건을 같게 하고 다르게 해야 하는지 생각을 많이 한 것 같다’.,‘실험하기 전의 생각들과 실험 후에 내가 내린 결론이 다른 거에 대해 흥미를 느꼈고, 재밌고 새로운 실험을 할 수 있어서 좋았다’와 같은 긍정적인 의견이 있었다. 그러나 ‘처음부터 모르는 애들하고 활동해서 힘들었다’, ‘좀 더 모둠 애들이 적극적이었으면 좀 더 편하게 잘 할 수 있었을 것 같다’와 같이 모둠원 구성과 관련하여 부정적인 의견도 있었다.

결론 및 제언

본 연구는 학생들의 변인 통제 능력을 강화할 수 있는 수업 모형과 수업 프로그램을 개발하고, 과학적 사고, 변인 통제 유형 변화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 진행하였다. 이를 위해 사전·사후에 로슨 SRT, 변인 통제 유형 분류 검사를 실시하였다. 실험 집단의 과학적 사고력 총점이 상승하였으나 통계적으로 유의미하지 않았다. 사전과 동일한 과제로 변인 통제 유형 분류 검사를 실시하여 학생들의 변인 통제 유형 변화를 알아본 결과, 프로그램 적용 후 실험 집단의 학생들 중 대다수가 변인 통제를 잘 하는 유형인, 불필요 변인을 배제하고 통제 변인을 일정하게 유지하며 조작 변인이나 종속 변인을 구분하여 설계할 수 있는 유형A나 유형B에 속하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 통계적으로는 유의미한 결과를 얻지는 못했지만 실제 학생들의 변인 통제 수행 능력은 긍정적으로 변화하였음을 암시해 주고 있다.

약 8개월의 수업 전략 적용으로 과학적 사고력이 향상되는 것은 어려우나 설문 조사 결과에 비추어보았을 때 학생들이 스스로 실험을 계획하고 수행하는 활동을 통해서 과학 탐구 활동을 재미있게 느끼고 낯선 문제 상황을 접했을 때 흥미를 가지고 적극적으로 대처하려는 긍정적인 태도를 갖게 된 것으로 여겨진다. 또한 학생들의 과학적 사고 점수나 변인 통제 유형 변화 결과를 보았을 때, 실험 설계를 반복하여 수행하는 것은 과학적 사고 점수와 별도로 실질적으로 학생들이 실험을 설계하고 수행할 때 변인을 찾고 통제하는 능력의 향상에 도움이 될 수 있다고 생각된다.

본 연구의 결론을 바탕으로 다음과 같은 제언을 하고자 한다.

첫째, 변인이 잘 통제된 과학 실험은 집단으로 실시되는 과학 교육에서는 유용하다. 그러나 조작 변인, 종속 변인, 통제 변인이 모두 주어지고 실험 과정대로 따라 하기만하면 결과가 나오는 실험만으로는 학생들의 변인 통제 능력을 향상시키기는 어렵다. 학생들은 실험에 관련되는 변인이 무엇인지, 독립 변인과 종속 변인이 무엇인지, 독립 변인 중에서 조작 변인과 통제 변인이 무엇인지 정확하게 파악하는 훈련을 반복해야만 변인을 인지하고, 통제할 수 있는 능력이 개발된다. 따라서 변인 통제 능력을 향상시키기 위해서는 교과서에 제시되어 있는 실험을 수행하면서 ‘필요한 변인 찾기’나 ‘조작 변인이나 종속 변인, 통제 변인 찾기’등의 활동을 추가하는 등 개선이 필요하다.

둘째, 프로그램 활동을 마친 후 실시한 설문에서 학생들은 모둠원과의 활동에 대해 어려움을 호소하였다. 가장 과학적인 생각을 필요로 하는 단계에 대한 답변과 가장 많은 토론이 요구되었던 단계에 대한 답변이 비슷한 것으로 보아, 학생들은 생각을 많이 해야 하는 활동을 수행하면서 모둠원과 토의하여 해결하려고 시도한 것이라 여겨진다. 따라서 수업 진행 중에 교사는 학생들의 토론이 활발히 이루어지도록 하기 위해 모둠원 사이에 자유롭게 의견을 나눌 수 있는 분위기를 마련하는 것뿐만 아니라 학생들에게 적당히 어려운 주제를 선정하는 것도 중요함을 알 수 있다. 또한 변인 통제 능력은 실험의 설계 단계 뿐만 아니라 탐구과정 전체에 전반적으로 요구되는 능력이므로, 이 능력 수준도 고려하여 모둠을 구성하면 학생들이 모둠 활동을 하는데 도움이 될 것으로 생각된다.

셋째, 본 연구에서 개발한 변인 통제 강화 프로그램이 변인 통제 능력 변화에 긍정적인 효과를 보이나 통계적으로 유의미한 결과를 얻지는 못하였다. 이는 과학적 사고력이나 변인 통제 능력과 같은 사고력은 단기간의 프로그램 적용으로는 향상되기 어렵다는 기존의 연구 결과와 일치한다. 또한 이 결과는 일부 지역의 특정 학생들만을 대상으로 한 것이기 때문에 일반화할 수 없다. 따라서 프로그램에 의해 나타나는 효과를 통계적으로 입증하고 일반화하기 위해서는 실험 집단의 학생 수와 프로그램 적용 기간을 늘리고, 성별, 지역별, 학급별, 학년별에 따라 대상을 달리하여 추가 연구를 해야 할 필요가 있다.

넷째, 중학교 2학년 정규 과학 수업에서는 ‘변인’이라는 용어를 도입하지 않기 때문에, 학생들은 실험에서 변인을 조작하고, 통제하여 결과를 얻어내더라도 ‘변인’에 대한 내용을 습득하고 있다고 인지하지 못한다. 이러한 사실은 학생들의 설문 내용에는 ‘변인이 무엇인지’에 대해 알게 되었다는 응답을 통해서도 확인할 수 있었다. 따라서 변인 통제 능력을 위한 본 프로그램의 수업 전략과 같이 과학적 탐구 과정이 무엇이고, 올바르게 탐구하는 방법이 어떤 것인지를 직접적으로 교수하는 활동을 개발할 필요가 있다.