맥락화된 과학의 본성(NOS) 수업에서 나타난 예비화학교사의 NOS-PCK에 대한 이해 및 실행 분석

Abstract

과학의 본성(nature of science, NOS)은 일반적으로 과학에 대한 인식론, 앎의 방식으로서의 과학, 그리고 과학 지식의 발전에 내재한 가치와 신념을 의미한다(Lederman, 2002, 2007). 이러한 정의는 과학을 단순한 지식의 축적이 아니라, 사회적·문화적 맥락 속에서 이루어지는 인간의 활동으로 이해하는 총체적인 관점을 반영한다(Lederman et al., 2007; McComas et al., 1998; McComas & Clough, 2020). NOS는 과학교육에서 학생들의 과학적 소양을 함양하는 데 핵심적인 기반으로 작용해 왔으며, 오랜 기간 과학교육의 주요 목표로 강조되어 왔다.

그러나 실제 학교 현장에서 구체적으로 NOS에 대한 어떤 경험을 제공해야 하는지 등의 교수 지침은 부재한 상황으로, 과학교사가 자신의 수업에서 학생들에게 NOS를 실제로 가르치는 데 어려움이 존재한다. 한편 과학 내용과 NOS를 통합하여 가르치는 맥락화된 NOS 수업(contextualized NOS lesson)은 학생들이 과학과 NOS의 연관성을 자연스럽게 이해하도록 하는 장점이 있다. 또한 교육과정에서 제시하는 과학 개념과 함께 NOS를 가르치는 것은 맥락화된 NOS 수업에 해당하므로, 학교 현장에서 교육과정에 따라 NOS 수업이 활발하게 이루어지기 위해서는 과학교사들이 맥락화된 NOS 수업을 위한 전문성을 갖출 수 있도록 지원할 필요가 있다. 이때 수업 전문성은 단기적으로 향상되기 어려운 지식이므로, 예비교사 교육과정 등에서 중장기적으로 교육될 필요가 있다. 따라서 이

연구에서는 사범대학에서 이루어지는 예비교사 교육과정에 집중하여, 예비화학교사의 맥락화된 NOS 수업을 계획, 시연, 실행의 차원에서 분석하였다.

예비교사의 맥락화된 NOS 수업을 체계적으로 분석하기 위하여 PCK(pedagogical content knowledge)의 관점을 활용하였다. Hanuscin et al.(2011)이 제안한 NOS-PCK 모델을 바탕으로 맥락화된 NOS 수업을 분석하기 위한 분석틀을 구성하였으며, 이를 구체화하기 위한 기초 연구로 연구 Ⅰ과 연구 Ⅱ를 실시하였다. 연구 Ⅰ과 연구 Ⅱ에서는 예비교사의 맥락화된 NOS 수업 계획과 시연을 분석하여 맥락화된 NOS 수업에 대한 PCK 각 요소의 의미와 하위 범주를 구체화하기 위한 정보를 탐색하였다. 연구 Ⅲ에서는 연구 Ⅰ과 연구 Ⅱ의 결과를 바탕으로 맥락화된 NOS 수업을 분석하기 위한 분석틀을 구성하고, 이를 바탕으로 교육실습에 참여한 예비교사의 맥락화된 NOS 수업 실행을 분석하였다. 연구 Ⅰ에서는 예비화학교사의 맥락화된 NOS 수업 계획을 분석하여 교육과정에 대한 지식, 교수전략에 대한 지식, 학생에 대한 지식, 평가에 대한 지식, 교수 지향 등 NOS-PCK 요소 전반에 대한 정보를 얻었다. 사범대학 교육과정을 모두 이수한 예비화학교사 8명이 연구에 참여하였으며, 연구자는 이들에게 맥락화된 NOS 수업을 계획하도록 하고 이 과정에서 생성된 CoRe(content representation)와 교수학습 지도안을 수집하여 면담을 실시하였다. 연구 결과, 예비교사들이 학습 목표로 선택한 NOS는 수업 주제보다는 NOS를 가르치는 맥락에 따라 다르게 나타났다. 또한 예비교사들은 NOS 학습의 가치를 잘 알지 못했다. 모든 예비교사가 학생들이 NOS를 잘 이해하지 못할 것을 우려하였으며, NOS를 과학 내용과 함께 다룬다는 점에서 많은 어려움을 느꼈다. 예비교사들은 학생들이 직접 실험을 하면 오차로 인해 학생들이 NOS를 배우는 데 문제가 생길 것을 우려하였다. 또한 예비교사들은 자신의 경험을 근거로 학생들의 NOS에 대한 선개념과 오개념을 추측하였으며, 과학 개념이나 학생의 인지 발달 단계가 NOS 학습에 영향을 미칠 것으로 생각하기도 했다. 교수전략 측면에서 NOS를 가르치기 위해 다양한 전략을 사용했음에도 불구하고 NOS를 명시적으로 다루지는 않는 경우가 많았다. 평가 측면에서도 수업에서 다루는 NOS를 평가하지 않으려는 모습이 나타났다. 연구 Ⅱ에서는 예비화학교사의 맥락화된 NOS 수업 시연을 분석하여 교수전략에 대한 지식의 하위 범주를 상세화하기 위한 정보를 탐색하였다. 연구 Ⅰ에 참여한 예비화학교사 중 2명에게 맥락화된 NOS 수업을 시연하도록 하고, 수업 자료를 수집하였으며 수업 시연 전후에 면담을 실시하였다. 연구 결과, 명시적 접근의 측면에서 먼저 두 예비교사는 수업을 계획하는 과정에서 수업 시간을 현실적으로 고려하여 NOS 학습 목표의 수를 조정하였다. 이들은 수업 중 NOS를 명시적으로 다루었으나, 도입부에서 NOS 학습 목표를 명시하는 여부와 명시적 접근에 대한 인식에서는 차이를 보였다. 반성적 접근의 측면에서 예비교사들은 NOS 질문을 활용 시 NOS가 드러나지 않는 일반적인 반성 질문을 사용하거나, 모든 수업에서 수렴적 질문만을 사용하는 등 바람직한 NOS 질문 활용에 어려움을 보였다. 또한 이들은 대기 시간이나 응답에 대한 적절한 피드백을 주지 않기도 하였다. 마지막으로 수업 맥락의 측면에서 예비교사들은 수업에서 과학사를 활용하였으나, 역사적 맥락을 충분히 제시하지 않거나 과거 과학 이론을 결과 중심적으로 평가하려는 등의 한계가 일부 나타났다. 연구 Ⅲ에서는 앞서 이루어진 연구 Ⅰ과 연구 Ⅱ에서 얻은 정보를 바탕으로 맥락화된 NOS 수업을 분석하기 위한 분석틀을 구체화하였으며, 이를 바탕으로 교육실습에 참여한 예비화학교사 2명의 맥락화된 NOS 수업 실행에서 나타나는 NOS-PCK를 분석하였다. 자료 수집 전 연구 Ⅰ과 연구 Ⅱ의 결과를 바탕으로 교육과정에서 제시된 NOS에 대한 내용과 명시적-반성적 접근에 대한 내용을 보완하여 재구성한 맥락화된 NOS 수업에 대한 워크숍을 실시하였다. 교육실습 기간 동안 이루어진 수업을 관찰하였으며, 이들이 작성한 수업 슬라이드, 학습지, 실습록 등을 수집하였다. 또한 실습 전·중·후에 걸쳐 반구조화된 면담을 실시하였다. 연구 결과, 교육과정에 대한 지식은 예비교사의 교수 지향 및 학생에 대한 지식과 밀접하게 연계되어 나타났다. 예비교사들은 교육과정에서 NOS가 강조된다는 점은 인식하고 있었으나, 교과서와 시험 범위에 NOS가 포함되지 않는 현실을 더 크게 의식하였으며, 이는 수업 정당성에 대한 부담과 학생 흥미에 대한 부정적 예측으로 이어져 NOS를 제한적으로 다루게 되었다. 학생에 대한 지식 측면에서 예비교사들은 학생들이 NOS에 흥미가 없을 것이라는 정의적 예측에 따라 인지 갈등 유발 전략을 구성하였으나, 오개념에 대한 정보는 진단평가 없이 개인적 경험에 근거한 추측에 의존하였기 때문에 전략의 효과는 제한적이었다. 다만, 수업을 통해 학생들이 NOS에 높은 흥미를 보이는 모습을 관찰하면서 정의적 특성에 대한 지식은 긍정적으로 재구성되었다. 교수전략에 대한 지식에서는 수업 초기에 일부 NOS 목표를 암묵적으로 제시했으나, 학생 반응을 통해 명시적 접근의 효과를 점차 인식하게 되었다. 그러나 이를 교사 중심 강의와 동일시하는 오해로 인해 암묵적 접근을 선호하기도 하였으며, 반성적 접근 실행에는 질문 구성 및 학생 참여 유도 측면에서 어려움을 겪었다. 수업 맥락에서는 실험 결과와 이론값 간 불일치라는 위기 상황이 오히려 NOS를 효과적으로 설명할 수 있는 기회로 작용하였고, 예비교사들은 이를 적극적으로 수업에 활용하였다. 마지막으로, 평가에 대한 지식 측면에서 예비교사들은 NOS 평가의 필요성을 충분히 인식하지 못하고 시험 범위와의 관련성을 이유로 평가를 회피하였으며, 진단평가와 형성평가를 실시하지 않았다. 대신 예비교사들은 학생들을 관찰하고 참여도 등을 통해 이들의 NOS에 대한 이해를 간접적으로 판단하였다. 이상의 연구 결과를 바탕으로 맥락화된 NOS 수업에 대한 예비교사의 전문성을 향상하기 위한 방안을 논의하였다.

Abstract (AI English translation)

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The nature of science(NOS) generally refers to the epistemology of science, the ways of knowing in science, and the values and beliefs inherent in the development of scientific knowledge. This definition reflects a comprehensive view of science as a human endeavor situated within social and cultural contexts, rather than a mere accumulation of knowledge. NOS has long been regarded as a fundamental component for fostering students’ scientific literacy and has been emphasized as a major goal of science education.

However, in actual school settings, there is a lack of explicit instructional guidance on how to teach NOS, making it difficult for science teachers to implement NOS instruction in practice. Contextualized NOS lesson, which integrates NOS with science content, allows students to naturally understand the relationship between science and NOS. Since teaching NOS in conjunction with the science concepts specified in the national curriculum constitutes contextualized NOS lesson, it is essential to support science teachers in developing the instructional expertise required to implement such lessons effectively. Given that this kind of expertise cannot be developed in the short term, long-term support through preservice teacher education is needed.Accordingly, this study focuses on the preservice teacher education programs at college of education and analyzes preservice chemistry teachers’ contextualized NOS lesson in terms of lesson planning, enactment, and implementation. To systematically analyze the preservice teachers’ contextualized NOS lesson, the perspective of pedagogical content knowledge(PCK) was adopted. Based on the NOS-PCK model proposed by Hanuscin et al.(2011), an analytical framework was developed for analyzing contextualized NOS lessons. As foundational studies to refine this framework, Study I and Study II explored how each PCK component was reflected in the preservice teachers’ planning and demonstration of contextualized NOS lessons. Building on the findings from these two studies, Study III applied the framework to analyze preservice teachers’ implementation of contextualized NOS lesson during their teaching practicum.In Study Ⅰ, we analyzed contextualized NOS lessons planned by preservice teachers to examine the categories of NOS-PCK, including knowledge of curriculum, instructional strategies, students, assessment, and teaching orientation. Eight preservice teachers who had completed all of the curriculum at the college of education located in Seoul participated in the study. CoRe and teaching and learning guidance were collected. Interviews were also conducted. We used analytical induction to analyze the collected data. The analyses of the results revealed that the NOS learning goals selected by the preservice teachers were different depending on the context of the NOS lessons. In addition, the preservice teachers were unable to sufficiently explain the value of learning NOS. All of the preservice teachers were worried that their students would not understand NOS properly, and they faced various difficulties in dealing with NOS and science content. They thought that if their students conducted experiments, errors could cause problems for students learning NOS. Meanwhile, they guessed their students’ preconceptions and misconceptions of NOS based on their experience. The preservice teachers also thought that their students’ concept of science and cognitive development stage would affect their NOS learning. Although the preservice teachers used various strategies to teach NOS, NOS was often not explicitly addressed. Also, they were reluctant to evaluate NOS in lessons.In Study II, we analyzed preservice chemistry teachers’ enactment of contextualized NOS lessons to explore details of their knowledge of instructional strategies. Two participants from Study I conducted contextualized NOS lesson demonstrations. We observed and video-recorded their contextualized NOS lesson demonstrations, collected teaching and learning guidance and instructional materials, and conducted pre- and post-interviews. The analyses of the results revealed that in perspectives of the explicit approach, both preservice teachers adjusted the number of NOS learning goals considering realistic time constraints during the lesson planning process. Although they explicitly addressed NOS content in their lessons, they differed in how clearly they presented the NOS learning goals at the outset of instruction, in their overall perception of the explicit approach, and in the method of NOS assessment. In perspectives of the reflective approach, when posing NOS-related questions, each displayed at least one of the following issues: failing to specify which NOS aspects were targeted, relying heavily on a single type of question, or sometimes not providing enough wait time or feedback for student responses. In perspectives of the teaching context, they incorporated historical context into their lessons; however, some shortcomings were noted, including insufficient historical background and a tendency to evaluate past scientific theories in an outcome-oriented manner. In Study III, we refined an analytical framework for contextualized NOS lesson based on the findings of Studies I and II and applied it to examine the NOS-PCK demonstrated in the actual classroom instruction of two preservice chemistry teachers during their teaching practicum. Prior to data collection, a workshop was conducted on contextualized NOS lesson, which had been revised and supplemented based on the national science curriculum’s treatment of NOS and the principles of the explicit-reflective approach. During the practicum, we observed the participants’ lessons and collected classroom artifacts, including lesson slides, worksheets, and teaching journals. Semi-structured interviews were conducted before, during, and after the practicum. The analysis revealed that the preservice teachers’ knowledge of curriculum was closely linked to their teaching orientation and knowledge of students. Although they recognized that NOS was emphasized in the curriculum, they were more aware of the reality that NOS was rarely addressed in textbooks or included in exams. In terms of knowledge of students, the preservice teachers anticipated low student interest in NOS and designed instructional strategies based on cognitive conflict. However, their understanding of students’ misconceptions relied on personal assumptions rather than diagnostic assessment, limiting the effectiveness of their strategies. Nevertheless, observing high student engagement during the lessons led to a positive reconstruction of their knowledge of students’ affective characteristics. Regarding knowledge of instructional strategies, while some NOS learning goals were initially presented implicitly, the preservice teachers gradually recognized the benefits of the explicit approach based on student responses. However, they sometimes equated the explicit approach with teacher-centered lecturing, leading to a preference for implicit strategies. They also encountered challenges in implementing the reflective approach, particularly in designing effective questions and promoting student participation. In terms of teaching context, a crisis situation involving discrepancies between experimental results and textbook values served as a productive opportunity to discuss NOS concepts, and the preservice teachers actively incorporated it into their instruction. Finally, with respect to knowledge of assessment, the preservice teachers did not conduct diagnostic or formative assessments, as they did not fully recognize the importance of NOS assessment and tended to avoid it due to its perceived lack of relevance to exam content. Instead, they inferred students’ understanding of NOS indirectly through classroom observations and levels of participation.Based on the findings of these studies, implications for enhancing preservice teachers’ instructional expertise in contextualized NOS lesson were discussed.