탐구 기반 교수학습 맥락에 따른 예비 화학교사의 탐구에 대한 인식 및 신념 분석

본 연구에서 초점을 둔 프로그램은 예비 화학교사들이 탐구와 관련하여 학습자이자 교수자로 참여하도록 계획하였고, 일련의 과정이 연속적으로 이루어지도록 하였다. 이에 따라 프로그램은 3단계로 구분하였고, 전체 과정은 Fig. 1에 제시한 것과 같이 약 16주 동안 진행되었다.

Figure1.

Overview of the program and research design.

첫 번째 단계는 ‘탐구 수행하기(doing inquiry)’ 단계로, 연구 참여자들이 학습자로서 탐구를 접하는 과정이었다. 총 13주 동안 진행한 탐구 수행 단계는 다시 세 단계로 구분할 수 있는데, 이는 과학자들과 유사한 방식으로 탐구를 수행하는 경험을 제공하기 위함이었다. Schwab³²이 제시한, 탐구의 수준(level)이 점차 높아지는 방식으로 프로그램을 구성하였고, 첫 3주는 1수준, 이후 4주는 2수준, 이후 6주는 3수준의 탐구가 이루어졌다. 1수준에서는 연구자가 문제 상황과 가설, 실험 방법을 제시하였고, 참여자들은 실험 수행과 결과 해석에 초점을 두었다. 2수준에서는 1수준에 비해 참여자들이 실험 방법을 계획하고 설계하는 역할이 추가되었다. 2수준까지의 탐구는 연구자가 문제상황을 제시하였는데, 이때 제시한 문제 상황은 샤를의 법칙, 삼투압 등과 같이 모두 중·고등학교의 화학 학습 내용과 연결되는 것이었다. 마지막 3수준은 문제의 설정부터 결론을 끌어내는 모든 탐구의 과정이 참여자들에 의해 이루어졌다.

한편, 수준별로 수행한 탐구 주제의 수는 서로 달랐다. 1수준에서는 3개 주제, 2수준에서는 2개 주제에 대한 탐구를 수행했다. 2수준에서는 연구자가 3개의 주제를 제시하고 그중 2개 주제를 참여자들이 선택하여 탐구하였다. 마지막으로 3수준 탐구에서는 모둠별로 자신들이 제안한 1개의 주제만 탐구를 수행하도록 계획하였다. 그리고 탐구의 사회적 과정을 강조하기 위해 2수준 탐구 이후에는 구두 발표를 진행하였고, 3수준 탐구 이후에는 포스터 발표를 진행하였다. 아울러 모든 참여자는 탐구 시작 전 계획서를 제출하고, 탐구 수행 이후에는 탐구적 과학 글쓰 기(Science Writing Heuristic) 양식³³에 따라 보고서로 작성하여 제출하였다. 즉 1수준과 2수준은 탐구에 대한 경험이 부족한 예비교사들을 위해 단계별로 탐구를 경험시키는 데 주안점을 두었다면, 3수준은 스스로 탐구 문제를 발견하는 과정이 포함되므로 참 탐구라고 볼 수 있다.

프로그램의 두 번째 단계는 중·고등학생을 대상으로 하는 ‘탐구 수업 계획하기’이다. 이 단계는 참여자들이 학습자에서 교수자로 관점을 변화시키는 과정이다. 이 단계에서 참여자들에게 자신들이 이전 단계에서 수행했던 탐구를 활용해 탐구 기반의 교수학습을 계획하도록 안내하였는데, 수행했던 탐구 중 3수준의 참 탐구를 활용하는 것을 권장하였다. 다만, 탐구의 주제와 내용은 참여자들이 최종적으로 결정하였다. 아울러, 보다 정교하게 탐구 수업을 구성하기 위해 강좌 내에서 자신들의 계획을 강좌의 다른 동료들과 공유하고 피드백을 주고받았다. 이 2단계까지는 본 연구가 초점을 두었던 프로그램 중 대학의 강좌에서 계획된 것이었기 때문에, 본 연구의 참여자뿐 아니라 강좌를 이수하는 모든 예비 화학교사들이 참여하였다.

마지막 단계는 ‘탐구 수업하기’로, 이 단계는 참여자들이 교수자로서 학생들을 대상으로 실제 수업을 실행하였다. 탐구 수업 시간은 참여자들의 수업 계획에 따라 다양하였으나, 하루 안에 마칠 수 있는 형태로 탐구 수업을 모두 진행하였다. 이 단계에 참여한 ‘학생’들은 중학교 3학년 또는 고등학교 1, 2학년 학생들로, 본 연구가 진행된 대학의 부설 과학영재교육원 또는 주말 과학 프로그램에 참여하는 학생들이었다. 탐구 수업에 참여한 ‘학생’들에게는 모두 사전에 학부모에게 참여 동의를 구하였다.

연구 참여자는 5명의 예비 화학교사로, 사범대학 화학교육과의 정규 강좌인 ‘물리화학실험’에 참여한 학생들이다. 이들은 해당 강좌의 오리엔테이션에서 학생들을 위한 강의와 연계된 프로그램에 교사로 참여하기로 신청하였고, 동시에 연구 참여에 동의하였다. 참여자들의 정보는 Table 1에 제시하였고, 참여자별로 A~E의 코드를 부여하였다. 모든 참여자의 전공은 화학교육이었으며, 1명의 참여자만 4학년, 나머지 4명의 참여자는 3학년이었다. 참여자들의 특성은 큰 차이는 없으나, 이들이 연구에 참여하기 이전의 경험들은 약간의 차이가 있었다. 4학년인 B는 교생 실습을 다녀와 사범대학의 정규 교육과정을 통해 교사로서 중학생들을 만나고, 수업을 운영한 경험이 있었다. 반면, 나머지 4명의 참여자 중, A를 제외한 3명의 참여자는 본인이 교사의 역할을 담당해 본 경험이 없었다. A의 경우에는 연구 참여 직전에 멘토링 프로그램을 기획하고 멘토로 참여했던 것이 특징이었다. A는 이 멘토링 프로그램이 진로 설계 등에 초점을 두기보다 학습에 초점을 두고 운영했음을 강조하였다.

참여자들이 학습자로서 경험한 탐구는 일부 차이가 있었다. 고등학교에서 과학 동아리에 참여했거나 운영한 경험이 있는 참여자는 C, D 총 2명이었다. 이들은 동아리에서 과학과 관련된 실험 중 ‘비타민 C로 글씨 쓰기’와 같이 흥미롭거나 과학전람회에서 볼 수 있는 활동들을 경험했다고 말하였다. 특히, C의 경우 본인이 주도적으로 과학동아리를 계획하고 운영하는 역할을 맡았다고 하였는데, 이에 대하여 높은 자부심을 가지고 있었다. 한편, B는 탐구대회와 탐구 프로젝트에 참여한 경험이 있었다. B는 고등학생 시기 교사의 권유로 과학 탐구 대회에 참가했으나 본인에게 큰 의미가 있었다고 바라보지는 않았다. 이외에 A와 E는 두드러지는 탐구 경험은 없다고 말하면서 교과서에 제시되거나 교사가 제공하는 실험을 수행한 것이 곧 탐구 경험이었다고 말했다.

질적연구방법 중 하나인 사례연구의 방식으로 진행한 본 연구에서는, 각 사례의 특징을 면밀히 살펴볼 수 있도록 구체적인 맥락의 자료를 탐색하고자 하였다. 수집한 자료는 문서 자료와 면담 자료로 구분할 수 있는데, 우선 문서 자료는 크게 두 범주로 나눌 수 있다. 첫 번째 범주는 과학적 실천 맥락의 탐구를 수행할 때와 관련된 자료이다. 이 범주에는 참여자들의 탐구 계획서와 보고서, 구두 발표와 포스터 발표 자료가 포함된다. 특히 보고서는 탐구적 과학 글쓰기 양식³³에 따라 작성하도록 하였고, 계획서와 발표 자료들에도 자신들의 탐구 문제를 명시하였기 때문에 어떤 탐구 문제를 탐색하고자 하였는지를 구체적으로 살펴볼 수 있었다. 탐구의 계획서는 탐구 실험 이전에 제출하도록 하였고, 탐구 문제와 절차, 예상되는 결과 등을 작성하도록 안내하였다. 두 번째 범주는 교수학습 맥락의 탐구 수업을 계획하고 실행할 때와 관련된 자료이다. 이 범주에는 수업에서 사용할 모든 서지 자료가 포함되었다. 수업의 진행은 참여자마다 차이가 있으나, 프레젠테이션 자료(PPT), 인쇄물 등이 포함되었다.

면담은 반구조화된 형태로 계획하여 참여자별로 총 3차례 진행되었다. 면담은 연구 참여를 승인한 시점, 본 연구의 첫 번째 단계인 13주간의 탐구 수행하기를 마친 시점, 마지막 단계인 탐구 수업하기 시점에 진행하였다. 각 면담은 약 30분 내외로 진행하였고, 면담 내용은 모두 녹음하여 전사하였다. 모든 면담은 본 연구의 교신저자가 진행하였다. 또한, 프로그램의 마지막 단계인 탐구 수업하기의 실제 수업 장면도 녹음하였고, 이 내용 역시 모두 전사하여 활용하였다. 첫 번째 면담에서는 탐구에 대해 가지고 있는 일반적인 인식, 탐구와 관련된 사전 경험을 물었다. 두 번째 면담에서는 첫 번째 단계에서 경험한 자신의 탐구에서 인상 깊었던 점과 특징, 자신이 가지고 있는 탐구에 대한 인식과 수행한 탐구의 차이점 등에 대해 이야기하였다. 마지막 면담에서는 탐구 수업하기와 관련하여 자신의 계획과 강점, 아쉬웠던 점 등을 이야기하였고, 관련하여 참여자들이 인식하는 과학 수업의 목표와 방법 등에 대해서도 질문하였다. 아울러, 두 번째와 세 번째 면담에서는 교신저자가 기록한 관찰 기록에 근거하여 참여자별 질문도 추가하였다. 정리하면, 연구자들은 참여자들이 1단계부터 3단계까지 탐구를 수행하는 과정과 함께, 이를 수업으로 개발하여 실천에 옮기는 과정을 지속적으로 관찰하면서 자료를 수집하였다.

본 연구에서는 기본적으로 사례연구 방법론의 ‘사례 기술 개발(developing a case description)’ 전략에 따라 분석을 수행했다.³⁴ 연구자들은 각자 참여자들의 자료를 반복하여 읽고, 서로의 내용을 공유하고 논의하였다. 이후 참여자들의 사례를 종합적으로 정리하여 예비 화학교사들이 탐구 문제를 발견하고 해결하는 학습자 맥락과 탐구 수업을 계획하고 실행하는 교수자 맥락에서 탐구에 대한 인식 및 신념이 각각 어떻게 나타나는지 분석하고 둘 간의 연관성을 파악하고자 노력했다.

구체적으로는 다음과 같은 절차에 따라 자료를 분석하였다. 자료수집을 마친 이후, 연구자들은 자료들을 종류에 따라 구분하였고, 녹음한 면담 및 수업 내용은 모두 전사하였다. 이러한 자료를 바탕으로 연구가 진행된 프로그램에서 일어난 일들의 전반을 파악하고자 모든 전사본과 참여자들이 작성한 보고서, 설문 결과지를 연구자들이 각자 여러 차례 읽었다. 이때 각 참여자가 강조한 과거 경험이나 탐구에 대한 인식, 탐구활동과 수업 설계에 관한 참여자들의 해석을 중심으로 참여자의 전반적인 줄거리(thread)를 이해하고자 했다.

이어 각 참여자의 사례를 다각적으로 분석하기 위해 두 연구자가 서로 다른 방식으로 사례를 분석했다. 1저자는 모든 참여자의 자료 중 특정 시점의 자료를 읽고 참여자별 비교 분석을 진행하였으며, 교신저자는 한 명의 참여자와 관련된 모든 자료를 바탕으로 참여자별 이야기(story)를 구성하여 논의하였다. 참여자별 이야기를 만드는 작업은 각 참여자의 고유한 특수성에 집중하여 탐구활동과 수업 설계 및 실행 과정에서 일어난 경험의 의미를 구체적으로 이해하기 위함이다.³⁴ 그리고 네 차례의 회의를 통해 각자의 분석과 해석을 조정하는 작업을 거쳤다. 예를 들면, 1 저자가 모든 참여자의 포스터 발표 자료를 읽고 비교 분석 내용을 공유하고, 교신저자는 참여자 A의 과거 경험부터 수업 실행의 과정까지의 이야기를 공유한 뒤, 각자의 분석 결과에 대한 타당성을 논의했다. 즉, 연구 문제에 대해 공시적, 통시적 관점을 교차하여 분석함으로써 참여자들이 생성한 맥락을 정리하고자 했다.

이 과정에서 참여자들이 탐구 과정에서 발견한 ‘문제’의 범위를 결정하는 논의도 진행했는데, 본 연구에서는 탐구를 통해서 참여자들이 알아내고자 노력하는 큰 범위의 문제는 탐구 ‘주제(theme)’로 정의하고, 해당 탐구 과정에서 해결해야 하는 구체적인 질문 또는 가설과 같은 진술을 탐구 ‘문제(problem)’라고 정의했다. 예컨대, ‘수상치환을 활용한 마그네슘-염산 반응속도 측정 실험에서 실험값과 이론값이 일치하지 않는 문제’는 탐구 주제로, ‘수상치환으로 반응속도를 측정하는 실험 도중 고무관에 물이 차면서 발생하는 문제’는 탐구 문제로 정의했다.

최종적으로는 연구 문제에 대한 결론을 끌어내기 위해 참여자별 하나의 이야기를 탐구 문제 발견 및 수업 실행 사례로 정리하여 서술하고, 이를 바탕으로 학습자 맥락과 교수자 맥락 각각에 대해 참여자별 탐구에 대한 인식 및 신념을 분석하였다. 이러한 분석을 토대로 예비 화학교사들이 탐구 과정을 학습자로 경험한 뒤, 자신이 발견한 탐구 문제를 수업으로 재구성할 때 탐구에 대한 인식 및 신념이 어떤 연관성을 보이는지 살펴보았다.

본 연구 결과를 해석할 때는 다음의 제한점을 고려할 필요가 있다. 첫째, 본 연구에서는 탐구 수행 중 예비교사들이 직접 문제를 발견하는 과정이 포함된 3수준의 탐구활동을‘참 탐구’로 명명했으나, 프로그램의 구성상 앞서 진행된 1, 2수준의 탐구 경험과 뒤이어 진행될 탐구 수업설계 및 실행 과정이 3수준 탐구의 문제 발견에 영향을 주었을 것이다. 실제로 연구 참여자 C를 제외하고 나머지 연구 참여자들은 모두 과학과 교육과정에서 벗어나지 않는 수준의 문제를 발견하여 탐구를 수행하였다. 따라서 본 연구의 ‘참 탐구’는 모든 과학 분야에 완전하게 열린 탐구라기보다는 화학 교수학습과 연계된 문제를 발견하여 수행한 탐구라고 볼 수 있으며, 참 탐구 수행이 수업 실행에 영향을 줌과 동시에, 반대로 수업 실행이라는 목표가 참 탐구 경험에 영향을 주기 때문에 탐구 수행과 수업 실행 사이의 인과 관계를 파악하는 데는 한계가 있다.

둘째, 총 13주에 걸친 탐구 수행 활동은 화학교육과 전공필수 과목인 물리화학실험 강좌의 일부로서 5명의 연구참여자 이외에 다른 예비교사들도 활동에 참여했다. 하지만 모든 예비교사로부터 연구 참여 동의를 받은 것은 아니어서 제한된 수의 연구 참여자의 사례만 분석하였다. 예비교사의 인식 및 신념에는 주변 사람들의 영향도 존재할 것이나, 본 연구의 목적이 예비교사의 개인적 맥락에 따른 탐구에 대한 인식 및 신념을 분석하는 것이기에 연구 참여자와 다른 예비교사 사이의 상호작용은 분석에서 제외하였다.

셋째, 연구 참여자들의 수업 실행 과정에 참여한 학생수가 수업별로 적게는 1인부터 많게는 8인까지 모두 달랐다. 수업에 참여하는 학생 수에 따라 교수자의 수업 형태가 달라질 수 있다는 점을 고려하면, 교수자 맥락에서 연구 참여자들의 탐구에 대한 인식 및 신념을 분석할 때 이점이 영향을 미쳤을 수 있다.

넷째, 13주에 걸쳐 진행된 탐구 수행과 대비하여 수업 실행은 하루만 진행됐으므로 탐구 시간의 차이로 인해 예비교사들이 학습자 맥락과 교수자 맥락에서 탐구에 대한 인식 및 신념의 차이를 나타냈을 수 있다.

이와 같은 제한점을 고려하여 본 연구는 ‘참 탐구 수행이 수업 실행에 영향을 주었다’와 같은 인과 관계보다는 탐구 수행과 수업 실행 각각의 맥락에서 드러나는 인식 및 신념, 그리고 둘 사이의 연관성을 파악하는 데 초점을 두었다.

○ 참여자 A: 반응속도 측정과 기체 포집 장치 개선 및 제작하기

본 프로그램에서 참여자 A는 여러 가지 반응속도 측정 실험 중 ‘염산과 마그네슘 리본의 반응 실험’ 개선하는 탐구를 수행했다. A는 선행연구³⁵를 참고하여, 교과서에서 수상치환으로 실험했을 때 발생할 수 있는 여러 종류의 오차 원인을 탐색하고 이를 개선하고자 했다. 염산과 마그네슘의 반응속도는 두 물질의 반응으로부터 생성된 수소 기체의 부피를 통해 계산할 수 있다. Bang 등³⁵은 Fig. 2a와 같은 수상치환 과정에 수소 기체의 부피 측정 지연, 반응이 일어나는 계의 온도 상승 영향을 주요한 문제점으로 제기하였고, 참여자 A도 이 점을 중요하게 인식했다.

A는 시간에 따라 계의 온도가 변하는 문제는 선행연구의 해결 방법 일부를 차용하여 용액을 교반기로 저어주는 방법으로 해결했다. 반면, 실험 초기에 고무관에 물이 차 있는 문제는 선행연구와 다른 방법으로 해결했다. A는 Fig. 2b와 같이 고무관 끝부분에 유리관을 달고, 유리관 끝을 파라필름(parafilm)으로 막아 눈금실린더 안에 집어넣는 방식으로 고무관에 물이 들어가는 것을 방지했다. 물론 파라필름으로 고무관 입구가 계속 막혀있으면 수소 기체의 부피를 제대로 측정할 수 없으므로 눈금실린더의 바닥에 구멍을 뚫어 뾰족한 못을 넣어두었고, 눈금실린더에 집어 넣은 고무관의 파라필름에 못으로 구멍을 내도록 설계했다. 또한, 파라필름에 구멍을 뚫는 과정에서 눈금실린더 안의 물이 고무관에 들어가는 것을 막기 위해 눈금실린더 측면에도 여닫을 수 있는 구멍을 뚫어 눈금실린더 안의 수면 높이가 고무관보다 아래에 있도록 조절하는 실험 기구를 제작했다.

Figure2.

The reaction rate measurement experimental apparatus proposed in the textbook (a) and the improved experimental apparatus constructed by Participant A (b) (excerpted from Participant A's report).

이 과정에서 A는 새로운 문제를 발견하기도 했는데, 눈금실린더 안에 수소 기체가 채워질 때 수면 위로 솟아오른 유리관의 부피로 인해 기체의 부피가 눈금실린더로 정확히 측정되지 않는다는 점이었다. A는 수면 위로 솟아오른 유리관의 부피를 측정하여 이를 수소 기체의 부피에서 빼주는 방법으로 측정값을 보정했다.

A가 자신이 수행한 탐구 결과를 바탕으로 구성한 수업을 분석해 보면, 학생들이 염산과 마그네슘의 반응속도를 측정하는 실험 과정에서 반응속도식과 관련된 내용적 지식을 학습하는 것에 초점을 두기보다는, 수상치환을 사용하는 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 개선하기 위해 다함께 힘을 합쳐 실험 기구를 개선하여 문제를 해결하는 활동에 주안점을 두었다.

A: 실제로 저희가 했던 거랑 비슷한 과정을 [학생 대상 탐구수업에 적용] 할거고, 제 생각에는 그 상황을 주고 [학생들이] 뭐가 문제일까 [생각하게 만든 뒤] 못 찾아내면 힌트를 줘서라도 조금씩 따라가게 (...) 그 과정에서 고려를 할 것도 생기고 저희도 수압이 내려간다 올라간다 그런 과정에서 단순한 지식, 반응속도 식보다는 반응속도는 부수적이긴 하지만 전체적인 실험과정? 탐구 자체에 초점이 되는 실험이 아닌가 나쁘지 않다 생각해요.

실제로 A는 학생들을 대상으로 수상치환으로 반응속도 측정 실험을 진행하는 과정에서 반응속도에 대한 개념설명도 진행했지만, 수업의 주요 주제는 학생들이 실험 도중 고무관에 물이 차면서 발생하는 문제를 인식하고, 이러한 문제를 해결할 수 있는 기구를 설계하는 수업을 구성하였다. 즉 A의 수업 제목인 ‘반응속도 측정과 기체 포집 장치 개선 및 제작하기’에서 앞부분의 ‘반응속도 측정’보다는 ‘기체 포집 장치 개선 및 제작하기’에 방점이 찍혀 있었다.

○ 참여자 B: 티오황산 나트륨과 염산의 반응을 이용한 반응속도와 농도의 관계 실험

처음에 참여자 B는 참여자 A와 마찬가지로 ‘수상치환을 활용한 마그네슘-염산 반응속도 측정 실험’을 개선하고자 탐구를 진행하였다. 하지만 실험 과정에서 결과가 충분히 재현되지 않고 실험을 준비하고 수행하는 과정이 전반적으로 번거롭다고 판단하여 다른 과학적 원리를 바탕으로 한 반응속도 측정 실험을 탐구하기로 했다. 그 과정에서 ‘티오황산 나트륨-염산 앙금생성반응’을 이용한 SSC(Small Scale Chemistry) 실험 개선 연구³⁶를 참고하게 되었다. 이러한 접근은 “귀찮음을 덜고자” 다른 반응속도 측정 실험방법을 고민해 온 B에게 좋은 출발점이 됐다.

티오황산 나트륨과 염산을 반응시키면 노란색 황 침전물이 발생하게 되며, 반응 시간에 따른 침전물 양의 변화를 통해 반응속도를 유추할 수 있다. SSC 실험에서는 발생한 침전물의 양을 가늠하는 방법으로 Fig. 3와 같이 홈판 밑에 X 표시를 그리고 X 표시가 침전물에 의해 가려져 보이지 않을 때까지 걸리는 시간을 측정하는 방식을 활용한다.

Figure3.

Precipitation reaction experiment using sodium thiosulfate and hydrochloric acid, performed by Participant B (excerpted from B's poster).

참여자 B는 다양한 농도의 티오황산 나트륨 용액을 홈판에 넣고 염산 6방울을 스포이트로 떨어뜨린 뒤, X 표시가 사라지는 데 걸리는 시간을 측정하였다. 이 실험에서 B가 인식한 문제는 크게 세 가지였다. 첫째, 선행연구에서도 지적했듯 염산을 6방울 떨어뜨리는 데 걸리는 시간이 반응속도에 비해 꽤 길고 일정하지 않다는 점이었다. 이는 선행연구와 마찬가지로 염산을 한 방울만 넣어주는 방식을 채택했다. 둘째로는, 염산을 스포이트로 가하는 경우 한 방울의 부피가 매번 조금씩 달라져서 실험마다 농도를 정확하게 만들지 못한다는 점을 발견했다. 마지막으로, 선행연구에서는 초기에 염산의 농도를 1M로 설정했는데 이 경우 앙금 생성이 너무 빠르게 진행되며 속도 차이가 유의미하게 측정되지 않는 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 B는 여러 차례 최적화 실험을 통해 염산의 농도를 0.2~0.6 M로 조절하여 실험을 진행하였으며, 모든 용액은 정확한 부피를 가하기 위해 스포이트가 아닌 피펫을 이용하여 한 번에 넣어주는 방식으로 실험을 개선하였다. 이를 통해 처음 접근보다 더 재현성이 높고 정확한 실험 결과를 얻을 수 있었다.

참여자 B는 참 탐구 과정에서 주제를 변경했던 자신의 경험을 돌이켜보며, 탐구가 긍정적인 방향으로 나아가기 위해서는 “사전 조사”가 매우 중요하다고 말했다. 즉 사전조사를 통해 유사한 실험이나 참고할 만한 자료를 바탕으로 가설이나 실험 방향을 설정해야 길을 헤매지 않고 앞으로 나아갈 수 있다는 점을 강조한 것이다.

탐구 과정에서 신뢰할 만한 지식의 중요성을 인식한 B는 자신이 발견한 문제를 기반으로 수업을 구성할 때도 이점을 중요하게 간주했다. B는 학생들이 “이론적으로 배운 지식을 또 실험으로도 확인”할 수 있는 탐구 수업을 구성하고자 했다. B가 수업을 통해 가르치고자 했던 이론적 지식은 ‘반응속도와 물질 농도의 관계’이며, 학생들이 실험을 통해 이 지식을 정확히 배울 수 있도록 (1) 같은 방법으로 실험을 수행하면 일관된 결과가 나올 수 있는 실험 조건을 설정하고, (2) 학생들이 교사의 의도에 맞게 실험을 수행할 수 있도록 구조화된 활동지를 제작하였으며, (3) 관련 지식을 충분하게 제공하고자 시중에 출판된 자습서를 복사하여 참고 자료로 나눠주기도 하였다.

○ 참여자 C: 염산과 마그네슘의 반응 -반응 속도 상수의 측정-

참여자 C가 수행한 탐구를 살펴보면, 앞선 참여자 A, B와 마찬가지로 ‘수상치환을 활용한 마그네슘-염산 반응속도 측정 실험’을 개선하고자 했다. 하지만 참여자 B와 마찬가지로, 물을 사용하는 실험 특성상 실험 준비가 번거롭고 결과가 잘 재현되지 않아 곤란함을 느꼈다. 이때 C는 다른 선행연구³⁷를 참고하여 기체의 부피 측정 방법으로 수상치환 대신 Fig. 4와 같이 주사기를 이용한 수소 기체 부피 측정 방법(이하 주사기 측정법)을 도입했다.

Figure4.

Syringe-based hydrogen gas volume measurement apparatus.

Park 등³⁷은 주사기 측정법에 대해 주사기 피스톤과 주사기 내부 벽과의 마찰로 인한 기체 부피 변화 지연 현상(문제 1), 기체 유도관으로 사용한 고무관의 신축성으로 인한 기체 압력 전달 지연과 기체 누출 현상(문제 2)을 문제로 보고했으며, 이를 해결하기 위해 주사기 내부에 실리콘 그리스를 바르고(해결 1), 고무관 대신 PVC 수액 줄을 사용했다(해결 2).

참여자 C는 선행연구에서 제안한 문제 1과 해결 1은 받아들이고, 문제 2는 일부분만 받아들였다. 문제 2에서 고무관의 신축성으로 인한 기체 압력 전달 지연 현상은 그 영향이 크지 않다고 판단했고, 대신에 유리관과 고무관 사이의 연결 부위에서 발생하는 기체 누출 현상은 중요하다고 보았는데, 이점은 유리관과 고무관 사이를 파라필름과 테이프로 밀봉하여 해결했다.

C는 문제 1을 해결하는 과정에서 새로운 문제를 발견했는데, 이는 주사기 크기에 따른 피스톤의 마찰력과 관련된 것이었다. C는 실험 개선 과정에서 피스톤이 움직일 때 발생하는 마찰력을 줄이기 위해 실리콘 그리스를 바르는 것뿐만 아니라 크기가 작은 주사기를 도입했다. 이 경우 기존의 염산 농도로 실험을 하면 주사기 용량에 비해 많은 기체가 빠르게 발생하여 시간에 따른 수소 기체 부피를 정확히 측정하기 어렵거나 피스톤이 튕겨 나오는 문제가 발생했다. C는 자신이 발견한 새로운 문제를 해결하기 위해 주사기의 크기에 맞는 적절한 염산 농도를 탐색했다.

참여자 C는 본인의 탐구 실험을 수업으로 구성할 때 특정 수업 모형을 고려하여 구성하진 않았지만, 지향점을 POE(Prediction-Observation-Explanation) 모형으로 언급했다. 즉, 학생들이 우선 예측을 통해 탐구 상황에 대해 흥미를 갖게끔 유도하고, 실제 탐구활동을 해봄으로써 현상을 관찰하며, 탐구 결과에 관해 설명해 보는 과정이 자신이 생각하는 과학의 의미와 잘 맞는 것 같다고 언급했다. 또한, 탐구 수업을 구성할 때 학생들이 실험 과정에서 “오개념”이 생기지 않도록 실험 결과가 일정하게 나올 수 있는 조건을 잘 구성하는 데 초점을 두었다. 다시 말해, 학생들이 시행착오를 겪도록 놔두기보다는 “조력자”로서 학생들을 잘 이끌어감으로써 “현상을 보고 자기가 자료를 정리할 수 있는 능력”을 길러주는 데 주안점을 둔 것이다. 이러한 수업 방향은 C가 만든 구조화된 활동지와, 실험결과에 영향을 미칠 수 있는 다양한 변인들에 대해 본인의 경험에 근거하여 실험 전에 미리 설명해 주는 수업 장면에서도 잘 드러났다.

○ 참여자 D: 물과 다양한 재료들 사이의 접착력 구하기

참여자 D는 중등 교육과정에서 ‘표면장력’에 대해 피상적으로만 학습할 뿐 미시적인 관점에서 정량적으로 접근하는 경우가 드물다는 점을 지적하며, 학생 수준에서 비교적 간단한 재료로 수행할 수 있는 ‘표면장력 측정 실험’ 개발을 주제로 탐구를 수행했다. D는 기존에 표면장력 측정 방식으로 널리 활용되는 Du Nouy 고리법(Du Nouy ring method, 이하 고리법)3)으로부터 탐구를 시작했는데, 고리법에서는 실험 결과를 해석하는 과정에서 경험적인 값인 보정 인자가 도입된다. 하지만 표면장력에 관한 개념이 부족한 학생들에게 보정 인자를 도입하는 것은 학생들에게 혼란을 줄 수 있다는 문제를 발견했다.

D는 이 문제를 해결하기 위해 또 다른 표면장력 측정방법인 Wilhelmy 평판법(Wilhelmy plate method, 이하 평판법)4)을 고리법과 혼합한 방법을 제안하였다. 기본적인 실험 장치와 측정 방식은 고리법과 유사하지만, 실험에 사용하는 고리(ring)를 Fig. 5와 같이 원통껍질(cylinder shell) 형태로 만들어 평판법에 따라 보정 인자 없이 실험 결과를 해석하는 방법을 고안한 것이다. D는 원통껍질의 재질을 각각 산화마그네슘, 폴리프로필렌으로 다르게 구성하여 실험 장치를 구성하였고, 물과 헥세인에 대해 실험을 수행하여 측정값을 문헌값과 비교하는 과정을 통해 자신의 실험 장치가 재질과 관계없이 일관된 결과를 도출한다는 것을 검증하였다.

Figure5.

Experimental apparatus for measuring surface tension designed by Participant D (excerpted from Participant D's poster).

참여자 D가 탐구를 통해 개발한 표면장력 측정 실험을 학생용 탐구 수업으로 변환할 때, 표면장력 측정 방법에 초점을 두기보다는 표면장력이라는 개념의 이해를 더 강조했다. D의 탐구 수업 흐름을 살펴보면, 먼저 학생들이 비교적 생소한 표면장력이라는 개념에 익숙해질 수 있도록 개념을 설명한 뒤 간단하면서도 흥미를 끌 수 있는 여러 실험(예: 같은 부피의 헥세인과 물이 넘칠 때까지 동전을 넣어보고 개수 비교하기, 헥세인과 물 위에 클립 띄워보기, 물 위에 뜬 프로펠러에 에탄올을 떨어뜨리고 관찰하기 등)을 배치했다. 학생들이 표면장력에 조금 친숙해지면 이어서 자신이 개발한 표면장력 측정 실험 방법을 안내하고, 주어진 실험기구를 통해 학생들이 자유롭게 실험한 결과를 정리하여 논의해 보는 단계로 진행됐다. 이때 D가 제시한 실험의 목표는 세 가지였다. 첫째, 학생들이 정성적으로 만 배우는 표면장력을 정량적으로 측정하는 경험을 제공한다. 둘째, 원통껍질의 재질(산화마그네슘, 폴리프로필렌)과 관계없이 표면장력은 액체의 종류에만 의존한다는 점을 보여준다. 셋째, 실제값과 측정값의 차이가 다양한 변인의 영향을 받을 수 있음을 소개한다.

D가 구성한 탐구 수업을 살펴보면 학생들이 직접 표면 장력 측정 방법을 고안하는 참 탐구 형태는 아니었으나 D가 학습자로서 참 탐구를 수행하며 깨달은 점을 학생들도 경험하게끔 구성했다는 특징이 있다. 예컨대 원통껍질의 재질과 관계없이 같은 액체에 대해서는 표면장력 측정값이 같다는 것과 측정 과정에서 발생할 수 있는 다양한 오차 요인들을 학생들이 이야기해 보게끔 하는 활동이 그것이다.

다만, 표면장력의 정량적인 특성은 고등학생 수준에서 개념적으로 어렵기도 하고 교육과정에서 다뤄지지 않는 개념이다 보니, 학생들이 D가 설정한 수업 목표에 다다르는 데는 한계가 있었다. 결국 D는 실험 막바지에 이르러 학생들에게 자신이 탐구를 통해 알게 된 표면장력에 관한 지식을 말로 풀어내며 수업을 마무리했다.

D: 제가 하고 싶었던 말은, [고리의] 재질이 달랐잖아요? 액체가 있고, 그걸 들어 올렸단 말이에요. 얘[=산화마그네슘 고리]가 이렇게 잡아당기는 힘과 얘[=폴리프로필렌 고리]가 잡아당기는 힘이 같지 않을 거라는 말이죠. 왜냐하면 재질이 다르니까. (...) 하지만 [접촉]각까지 측정을 해서 식에 넣으면 결과적으로 표면장력은 일정하게 나온다. 아시겠어요? 그게 오늘의 실험 목표였어요. (...) 자, 세번째. 이거 실제값과 측정값이 다른 이유는 뭐, 이거는, 아까 여러분 보셨다시피 이 링이 정확하지 않아요. 한쪽은 들리고 한쪽은 떨어졌잖아요. (...) 접촉각도 카메라로 열심히 [측정]했는데 실제 실험을 할 때는 그런 식으로 실험안 하거든요. 다양한 원인이 있어요. 그래서 그거 고려하시면 ‘아, 오차가 있을 수밖에 없구나’. 이해하실 수 있을 거예요.

○ 참여자 E: 피스톤을 이용한 증기압 측정

참여자 E가 처음 설정했던 탐구 주제는 ‘용액의 총괄성’을 중심으로 삼투압과 어는점 내림을 정량적으로 측정하는 방법을 고안하는 것이었다. 이를 위한 주제를 탐색하던 중 한 고등학교 전문 교과 교과서에서 기체의 부분압력 법칙을 이용해 액체의 증기압을 주사기 두 개만으로 측정하는 사고 실험이 담긴 문항을 접하게 되었다. E는 실제로 해당 문항의 사고 실험을 실제 실험으로 구현했을 때 충분히 타당한 결과를 얻을 수 있는지 탐구해 보았고, 이 실험을 학교 현장에 적용할 수 있다고 판단했다. E가 개발한 실험을 개략적으로 소개해 보자면, 우선 한 쪽 주사기에 증기압을 측정하고자 하는 액체를 주입한 뒤, 주사기 입구를 3-way 콕으로 막은 채 피스톤을 잡아당겨 내부를 진공 상태로 만들고 피스톤을 고정한다. 이어서 반대쪽 주사기에 공기를 주입한 뒤 3-way 콕에 연결하고 두 주사기가 연결되도록 3-way 콕을 연다. 이 과정을 그림으로 표현하면 Fig. 6과 같다. 이 실험 과정에 따르면 양쪽 주사기의 초기 부피와 콕을 열었을 때 부피를 측정하고 그 차이를 바탕으로 액체의 증기압을 유추할 수 있게 된다.5)

Figure6.

Experimental setup for measuring the vapor pressure of a liquid implemented by Participant E (excerpted from Participant E's poster).

이미 개념적으로 제안된 실험을 실제로 구현하는 과정에서 E가 발견한 주요 문제는 실험에 적합한 주사기 용량을 결정하는 문제였다. E는 간단한 실험을 통해 10 mL 주사기보다 50 mL 주사기의 피스톤의 마찰력이 20배 이상 크다는 것을 알게 되었지만, 어느 주사기로 실험을 진행하든지 측정된 증기압은 거의 차이가 없다는 것도 확인했다. 결과적으로 마찰력이 더 크지만 “전체 부피 대 측정 눈금비율이 작아 정밀한 측정에 이점이 있는 50 mL 피스톤”을 실험 장치에 사용했다. 또한, 액체를 진공 상태가 아닌 공기 중에 증발시키는 경우도 비교하여 주사기를 이용한 증기압 측정 실험의 타당도와 신뢰도를 높이고자 노력했다. E는 액체의 증기압과 관련된 기존 실험의 경우, 기체 압력을 측정하는 정밀한 기기 또는 진공 펌프가 필요하므로 학교에서 수행하기 어렵다는 점을 지적하며, 두 개의 주사기만으로 액체의 증기압 측정이 가능한 본인의 실험이 학교에서 활용 가능성이 높다고 강조했다.

E는 자신의 증기압 측정 실험 과정이 너무 단순한 나머지 탐구 수업으로 구성했을 때 자칫 시시한 수업이 되지 않을까 우려했다. 그래서 보다 재미있는 수업을 구성하기 위해 미지의 액체를 제공하고 그것의 증기압을 측정함으로써 그 액체가 무엇인지 알아맞히는 일종의 게임을 도입했다. 하지만 E가 실제로 진행한 수업에서는 실험 결과가 예상대로 나오지 않는 문제가 발생했다. E는 시간이 흐를수록 이론값과 일치하는 실험 결과를 얻기 위해 다양한 오차 원인을 탐색하는 방식의 수업으로 전환되는 모습을 보이기도 했다. 예컨대, 실험 과정에서 반복적으로 사용한 주사기 내부에 존재할 수도 있는 잔여 액체를 제거하고자 주사기를 오븐에 넣어 건조하기도 했고, 3-way 콕의 기밀성을 알아보기 위해 콕의 방향을 바꾸거나 새로운 콕으로 교체하기도 했다. 심지어 수업 초반에는 색깔이나 냄새로 액체의 정체를 추측하는 행동을 제지했던 E가 수업 후반에는 오히려 학생에게 액체의 냄새를 맡아보게끔 하기도 했다.

○ 참여자 A

참여자 A는 첨단 과학의 사례를 들며 과학을 공학과 분명하게 구분하지 않는 특징을 보였다. 또한, 과학 탐구를 명확하게 정의하기는 어렵다고 말하면서도 “사람이 배운 다음에 이거를 한 번 더 생각하면 일단 다 탐구의 일환”이라고 느슨하게 규정했다. 즉, 문제를 발견하거나 해결하는 과정에서 이루어지는 실험, 관찰, 토의 활동 하나하나가 모두 탐구라고 본 것이다. 이러한 인식을 기반으로 A는 학습자 맥락에서‘수상치환을 활용한 마그네슘-염산반응속도 측정 실험 개선’ 탐구를 수행하며, 이론에 기반하기보다는 다양한 시행착오를 통해 실험기구를 개선하는 데 집중하는 모습을 보였다. 특히 다른 참여자들과는 달리 과학 탐구에 필요한 핵심 능력으로 인지적인 요소보다는 대인관계나 끈기와 같은 정의적 요소를 강조한 점이 인상적이었다.

참여자 A는 교수자 맥락에서 탐구 수업을 설계할 때 “최종적으로 학생들이 과학적 지식이나 정확한 이론, 답을 얻는 게 필요하다고 어느 정도 생각”한다고 말했으나, 그보다 더 중요한 가치는 교사-학생, 학생-학생 사이의 관계가 친밀해짐으로써 서로 원활하게 의사소통하며 학생들이 ‘스스로 무언가를 하게끔 환경을 만들어 주는 것’이라고 말했다. 또한, 주로 과학 이론 검증 및 학습에 중점을 둔 다른 참여자들과는 달리, A는 자신의 실험 기구 개선을 통한 문제 발견 및 해결 과정을 학생들도 직접 경험할 수 있도록 비교적 공학적 요소가 강조된 탐구 수업을 구성한 점이 특징적이었다. 이처럼 교수자 맥락(수업 실행)에서 탐구의 핵심 목적이 과학적 이론이나 지식을 습득하는 것이 아니라는 관점은 A가 학습자 맥락(탐구 실행)에서 실험, 관찰, 토의 활동 하나하나가 모두 탐구이며 인지적 요소보다 대인관계나 끈기가 중요하다는 인식과도 일맥상통한다.

○ 참여자 B

참여자 B는 자신이 고등학생 때 탐구대회 경험을 회상하며 “실험 가설을 세우고 결론을 내는” 과정을 과학자들이 행하는 탐구의 핵심 요소라고 인식했다. 이때 과학은 탐구활동이 중심이라고 강조하면서도 과학의 맥락과 교육의 맥락에서 탐구의 중요성을 구분했다. 우리나라의 학교 현실을 고려한다면 현실적으로 정해진 수업 시수가 있고, 과학에 관심이 있는 학생의 비율을 높지 않기 때문에 탐구는 “가끔가다 한 번씩 체험”하게 해주는 것이 좋고 지식 습득을 더 우선해야 한다고 말했다.

앞서 참여자 B의 ‘티오황산 나트륨-염산 앙금생성반응을 통한 반응속도 측정 실험 개선’ 탐구 경험을 살펴보면, B는 탐구 과정에서 실험이 잘 재현되지 않는 상황, 그리고 참고할 자료가 부족한 상황을 마주할 때 어려움을 경험했다. 이때 B는 탐구를 통해 과학적 지식을 얻기 위해서는 탄탄한 토대가 될 수 있는 자료가 중요하다고 생각했다. B는 자신의 탐구 결과를 바탕으로 학생 대상 수업을 구성할 때도 탐구의 기반이 되는 과학 지식을 충분히 제공하고, 학습한 지식을 점검할 수 있는 구조화된 수업을 설계하고 실제로 실행했다.

정리하면, B는 학습자 맥락에서 과학 탐구란 가설을 직접 설정하고 일련의 결론을 도출하는 과정을 경험하는 것이 핵심이라고 인식했다. 하지만 자신이 경험한 참 탐구의 어려움과 학교의 현실적 상황 등을 고려할 때, 교수자 맥락에서는 학생들에게 신뢰도가 높은 자료와 탐구 가이드를 제공하여 안정적인 과학 지식을 습득하도록 돕는 것이 탐구의 중요한 목표라고 판단했다. 이러한 접근은 과학의 맥락과 교육의 맥락에서 탐구의 중요성을 분명하게 구분한 B의 인식 및 신념에서 크게 다르지 않았다. 따라서 B가 교수자로서 탐구 수업을 설계할 때는 자신만의 가설설정 등과 같은 활동은 생략했으나, 그래프를 그리거나 해석하는 등의 과학 지식 이해에 도움이 되는 탐구 기능은 반영하였다.

○ 참여자 C

참여자 C는 학습자로서 ‘주사기를 이용한 마그네슘-염산 반응속도 측정 실험 개선’ 탐구를 경험한 뒤 과학의 특징을 설명할 때, “베이스를 잘 다져”주는 ‘순수과학’과, 순수과학으로부터 얻어낸 성과를 바탕으로 사람들에게 “실질적으로 도움이 되는” 성과를 산출하는 ‘응용과학’을 대비하며, 본인은 응용과학쪽에 더 관심이 있다고도 말했다. 이어서, 과학이란 사람들이 “구하고 싶은 것을 찾는 구체적인 툴(tool)”이며, 과학 탐구는 과학이라는 도구를 활용하는 방법이라는 도구적 관점을 취했다. 또한, 본인이 수행한 탐구를 돌이켜보며 자신의 여건에 맞게 주어진 상황에 대응해 본 경험을 긍정적으로 평가했다. 즉, “상황 자체에 대한 유연성”을 키울 수 있었던 점이 탐구에 대해 새롭게 발견한 가치라고 언급했다.

C가 교수자 맥락에서 탐구를 이야기할 때는 ‘자발성’을 기준으로 과학자의 탐구와 학생의 탐구를 구분했는데, 과학자들은 자신이 해결하고 싶은 문제를 자발적으로 탐구를 하는 데 반해 학교 과학 탐구는 교사가 구성해 놓은 상황에 학생들이 비자발적으로 참여한다고 인식했다.

C가 비교적 구조화된 탐구 수업을 구성한 이유로는 본인이 생각하는 과학교육의 방향성과도 이어진다. C는 면담 과정에서 “모든 사람들이 기본적으로 과학을 알고 있어야 안정적인 사회가 될 것 같다”라고 언급하며 인문학에 비해 과학이 기본 소양으로 인식되지 않는 현실을 안타까워했다. 즉, C가 보기에는 사람들이 사회적으로 합리적인 의사결정을 하는 과정에서 안정적인 토대가 될 수 있는 것이 과학 지식이며, 그러므로 과학 수업을 통해 학생들이 오개념 없이 정확한 지식을 습득할 수 있도록 도와야 한다고 보았다.

요컨대, C는 학습자 맥락(탐구 수행)에서 과학을 문제해결의 도구로 인식하고 있었으며, 탐구는 과학이라는 도구를 활용하여 문제를 해결하는 방법으로 인식했다. 다만, 교수자 맥락(수업 실행)에서는 다양한 배경을 가진 학생들을 대상으로 수업을 설계해야 하므로 기본 소양으로서의 과학을 가르칠 수 있도록 안정적이고 정확한 지식을 전달하는 탐구를 지향했다.

○ 참여자 D

다른 연구 참여자들과는 달리 참여자 D는 교육과정에서 다루지 않는 개념과 실험에 대한 탐구를 진행했다. D가 ‘두 가지 표면장력 측정 방법의 결합을 통한 표면장력측정 실험 개선’ 탐구를 위한 문제 발견 이유를 탐색해 보면, D가 갖고 있는 과학에 대한 인식이 큰 영향을 미쳤음을 확인할 수 있다. D는 과학을 ‘세상을 바라보는 다른 관점을 제공하는 학문’이라고 정의하는데, 특히 실세계의 미시적인 부분을 깊게 바라봄으로써 예술적 경험과 같이 ‘아름다움’을 느낄 수 있다고 생각했다.

D: 과학이랑 실험, 이런 게 아름다운 거를 분석하는 거, 예를 들면 일종의 예술 활동? 이런 생각이 들 때도 있어요. 신기하잖아요.

D: 저는 [과학이] 근본적으로는 약간 자연을 보는 다른 방법의 눈이라고 해야 할까요? 예를 들면 (...) OO산을 보면‘아, 예쁘다!’이 정도 수준이 아니고, (...) 저 안에는 개미들도 많겠지? (...) 사실 OO산 보면서 개미들 많을 거라고 누가 생각하겠어요. 그 안에서 벌어지고 있는, 더 깊게 바라본다고 해야 하나요?

D가 말하는‘아름다움’이란 미술 작품이 주는 시각적 만족감이나 음악이 주는 청각적 만족감과는 다른 측면이 있다. 이때의‘아름다움’은 ‘세계에 대해 감지할 수 없던 특성을 새롭게 감지했을 때’ 느껴지는 만족감으로 해석할 수 있는데, 이러한 해석을 받아들인다면 D가 다른 참여자들과 달리 교육과정이 다루지 않는 표면장력의 정량적인 특성을 측정하고자 한 접근을 이해할 수 있다.

면담 과정에서 D는 과학자의 탐구에서 필요한 요소가 ‘과학적 이론과 실험 결과 사이의 연관성 밝히기’라고 언급했다. D는 이러한 요소를 구현하는 전략으로 이론에 따라 예상된 값을 실제 정량적인 데이터와 비교하는 것이 좋다고 판단했으며, 이때 정량적인 데이터를 얻기 위해 측정 방법과 장치를 고안하는 것을 탐구 주제로 설정했다. 또한, 학생의 탐구에서 가장 중요한 것은 ‘과학에 대한 흥미’를 높이는 것이며, 탐구의 수준이 높아지면 자연스럽게 ‘개념 이해’에 도움이 된다고 생각했다. 따라서 D는 흥미 유발과 이론-실세계 사이의 연관성 탐색이라는 두 마리 토끼를 잡기 위해 학생들이 직접 표면장력 측정 장치를 만들고 정량적인 데이터를 얻을 수 있는 실험 방법을 개발했다.

정리하면 D는 과학 탐구를 통해 일반적으로는 포착하지 못했던 실세계의 미시적인 요소를 과학 이론에 기반하여 포착함으로써 아름다움을 느낌과 동시에 자연에 대한 새로운 관점을 가질 수 있다고 인식했다. 하지만 교수자의 맥락에서 수업을 설계할 때는 아직 과학 이론에 익숙하지 않아 자연에 대한 새로운 관점을 도출하기 어려운 학생들에게는 특정 자연 현상을 주목하게 만드는 탐구를 도입하여 과학의 아름다움을 경험하고 흥미를 높이는 것이 가장 중요하다고 인식했다.

○ 참여자 E

참여자 E가 ‘두 개의 주사기를 활용한 액체의 증기압 측정 실험 개발’ 탐구 과정에서 보여준 과학에 대한 인식을 살펴보면, E는 과학이라는 학문을 ‘기술(technology)’과 비교하여 정의하는 특징이 있었다. 즉, 실용성을 중요시하는 기술과는 달리 과학은 순수한 호기심에서 나오는 질문을 탐구하는 학문이라는 것이다.

E: 개인적으로 과학기술이라는 말을 별로 안 좋아하거든요. 그래서‘과학하고 기술은 다르다’라고 평상시에 생각을 많이 하는 편이에요. (...) 예를 들어서 사회과학이나 기술이나 약간 공대에서 하는 거 같은 경우에는 우리가 어떻게 하면 더 효과적으로, 더 좋게, 더 쓸모 있게 하기 위해서라는 식으로 질문을 던져 나간다면, 그중에서도 과학은 특히 그런 실용적인 거랑은 멀게? 순수 호기심에서 나오는 질문이 아닐까 싶어요.

또한, E는 과학 탐구를 “스스로 질문을 던지고 답을 하는” 과정이라고 인식했는데, 본인이 중·고등학생 시절에는 질문과 절차가 주어진 “공부”로서의 탐구만 경험했다며 아쉬워했다. 이때, 탐구와 관련하여 자신에게 가장 필요한 능력이 “알고 있는 걸 지우려는 노력”이라고 이야기했는데, 다시 말해 어떠한 문제 상황이 제시되었을 때 이미 알고 있는 전략에 갇히지 않고 자신만의 독창적인 전략을 수립하려는 노력이 필요하다는 것이었다. 이번 프로그램에 참여하며 처음으로 참 탐구를 경험한 E는 교과서에서 문항 형태로 제안된 개념을 바탕으로 스스로 가설을 설정하고 간단한 실험으로 “증명”했다는 것에 자부심을 느꼈다고 말했다.

참여자 E는 본인이 구현한 증기압 측정 실험을 탐구 수업으로 구성하는 단계에서 “확실한 지식”을 가르치는 것에 초점을 두고자 했다. E의 표현을 빌리자면, 지반이 흔들리는 과학의 “최전방” 지식을 “안전지대”에 있는 학생들에게 제공할 경우, 그들의 “지반”이 흔들릴 수 있기 때문이다.

E: 저 같은 경우는 좀 더 확실한 지식을 줄 수 있고, 그리고 정확한 실험, 그러니까 과정을 어느 정도 제시를 하니까 좀 더 정확한 실험을 빠른 시간에, 단기간에 딱 끝낼 수 있고 이런 측면이 있는데, (...) 과정 그냥 주고, 측정해서, 이게 증기압이야 하면 너무 이게 재미가 없어질 수도 있는데, 그걸 어떻게 하면 학생이 '아 그렇구나'라고 조금 더 깨달음을 얻을 수 있는 (웃음) 그렇게 만드는 게 좀 중요할 거 같아요.

요컨대, 참여자 E는 과학 탐구란 자신만의 질문을 던지고 기존의 전략과는 차별화된 문제해결 방법을 찾는 것이라고 인식했다. 단, 교수자 맥락의 탐구에서는 자칫 학생들이 정제되지 않은 지식으로 인해 혼란을 겪을 수 있으므로 안정적인 지식을 습득할 수 있는 탐구를 도입해야 한다고 판단했다. 하지만 앞서 E의 탐구 수업 사례에서 살펴보았듯이 실험 결과가 자신이 설계한 대로 나오지 않는 돌발 상황이 발생했을 때 학생의 개념 이해의 도구로써 도입한 탐구가 과학자의 탐구에 가까운 형태로 변화했다는 점이 특징적이었다.

○ 맥락별 요약 및 연관성 분석

연구 참여자들이 탐구를 수행한 학습자 맥락과 탐구 기반 수업을 실행한 교수자 맥락에서 보여주는 탐구에 대한 인식 및 신념의 특징을 표로 정리하면 Table 2와 같다.

각 연구 참여자에 대해 맥락에 따른 탐구에 대한 인식 및 신념 사이의 연관성을 분석하면 다음과 같다.

참여자 A의 경우, 참 탐구 과정에서 발견한 문제를 수업에 이용한 양상이 나머지 참여자가 뚜렷한 차이를 보였다. A는 자신이 참 탐구 과정에서 발견했거나 선행연구에서 제안한 문제를 학생들도 인식하고 자신만의 방법으로 해결하는 형태의 ‘탐구 과정으로서의 실험’ 수업을 진행했다. 여기에는 A의 과학 탐구에 대한 인식 및 신념이 반영되었는데, 예를 들어 탐구를 위해 가장 중요한 요소는 대인관계나 의사소통 능력이라는 신념을 가진 참여자 A는 실험에 사용하는 기구를 조원들과 협동하여 개선하는 것만으로도 충분한 탐구라고 인식했다. 반면, 이론과 실세계 사이의 연관성을 밝히는 것이 과학 탐구의 핵심이라고 생각하는 참여자 D는 면담 과정에서 A의 문제가 그다지 과학적인 것 같지 않다고 평가하기도 했다. 즉 A의 경우에는 다른 연구 참여자들 대비 정의적 영역을 강조한 학습자 맥락의 탐구에 대한 인식 및 신념이 교수자 맥락에서도 공유되고 있음을 확인할 수 있었다.

참여자 B, C는 비록 구체적인 실험 양상은 달랐지만 ‘반응속도 측정’이라는 공통의 주제를 탐구 문제로 설정하여 수업을 설계하였다. 이 둘은 참 탐구를 경험한 학습자 맥락에서 문제를 ‘직접’ 설정하고 해결해야 한다는 측면에서 탐구에 대해 유사한 인식 및 신념을 갖고 있었다. 수업설계 및 실행 과정의 교수자 맥락에서도 두 참여자는 과학에 관심이 학생의 비율이 낮다는 현실 등을 이유로 과학 지식 습득을 우선해야 한다는 신념이 일견 유사하게 드러났다. 즉 참여자가 놓인 상황에 따라 문제 발견 또는 지식 습득이라는 각기 다른 목표가 설정되면서 탐구에 대한 인식 및 신념이 맥락에 따라 상당히 다른 형태로 나타났다.

하지만 공통점이 많은 B와 C의 수업 실행 과정을 상세히 살펴보면 두 참여자의 미묘한 차이가 드러났는데, ‘효율성’을 강조한 B의 경우에는 직접 제작한 구조화된 활동지와 함께 자습서 복사본을 보충 자료로 나눠주며 한정된 학교 수업 시수 안에 잘 정리된 과학 지식을 전달할 수 있는 탐구 수업을 운영하고자 노력했다. C 또한 구조화된 활동지를 제작하여 수업에 활용한 것은 동일했으나, 실험 과정에서 실험 기구 및 재료의 용량이 어떻게 결정된 것인지 자신의 탐구 결과를 소개하는 등 과학 지식뿐만 아니라 탐구활동 뒤편에서 다뤄지지 않은 요소들도 소개하며 ‘기본 소양’으로서의 과학을 녹여내고자 노력했다는 차이가 있었다. 정리하면 교수자 맥락에서 유사한 탐구에 대한 인식 및 신념을 보여준 B와 C가 각자 추구하는 고유한 가치를 녹여냄으로써 결과적으로 약간은 다른 탐구 수업양상을 보였다고 해석할 수 있다.

참여자 D의 탐구에 대한 인식 및 신념은 다른 참여자들과 차별화되는 점이 있는데, 바로 ‘아름다움’이라는 말로 대표되는 ‘새로운 관점’ 또는 이에 기반한 새로운 현상의 포착을 강조했다는 것이다. 이는 ‘신기하다’라는 느낌과 직접적으로 연결되는데, D가 탐구 수행 과정 중 교육과정에서도 다루지 않는 표면장력의 새로운 측정법 개발에 천착했다는 점이나, 교수자의 맥락에서 탐구 수업을 설계할 때도 학생들의 ‘흥미’를 가장 중요시하는 점과도 모두 맞닿아 있다. D는 실제 수업 실행 과정에서 표면장력에 대해 학생들의 흥미를 끌 수 있는 간단한 실험을 여러 개 배치하는 모습을 보여주었는데 이 또한 D가 ‘아름다움’을 강조하는 탐구에 대한 인식 및 신념을 반영한다. 즉, ‘아름다움’에 대한 신념은 문제 발견 상황에서는 ‘새로운 측정법’ 개발로, 수업 실행 상황에서는 ‘신기한 현상’을 제공하는 형태로 반영되었다고 볼 수 있다.

참여자 E의 탐구에 대한 인식 및 신념은 전반적으로 참여자 B, C와 유사했다. 하지만 E의 사례가 특징적으로 보여주는 점은 실제 수업 실행 과정에서 교수자가 의도하지 않은 문제 상황이 발생했을 때, 예비교사의 탐구에 대한 인식 및 신념이 학생을 가르치는 교수자의 맥락에서 맞닥 뜨린 문제를 해결하는 학습자의 맥락으로 즉각적인 전환이 일어났다는 것이다. 즉, 참여자들의 탐구에 대한 인식 및 신념은 수업 계획 및 실행 과정에서 고정된 것이 아니라, 상황에 따라 얼마든지 바뀔 수 있음을 보여준다.