자석 동작 완구 만들기 교수 학습 자료 개발 및 적용

Ⅰ. 서 론

과학과 교육과정의 목표는 모든 학생이 과학의 개념을 이해하고 과학적 탐구 능력과 태도를 함양하여 개인과 사회의 문제를 과학적이고 창의적으로 해결할 수 있는 과학적 소양을 기르는 것이다. 동시에 과학 학습의 즐거움과 과학의 유용성을 인식하여 평생 학습 능력을 기르는 것을 목표로 하고 있다(Ministry of Education, 2015).

그러나 PISA와 TIMSS 등 국제학력비교평가 연구에 따르면, 우리나라 학생들은 다른 OECD 국가들과 비교하여 상대적으로 높은 학업 성취도를 나타내지만, 과학 학습에 대한 참여 활동과 자신감 등에서는 낮은 수준에 머물고 있다 (Korea Institute for Curriculum and Evaluation, 2016). 또한 과학에 대한 흥미, 동기, 과학에 대한 가치 인식, 자신감 등은 학년이 올라갈수록 낮아지는 경향이 있다(Noh et al., 2001). 결국 과학에 대한 부정적 인식은 이공계 기피 현상으로 연결되기도 한다(Kwak et al., 2006). 이러한 점에서 과학에 대하여 학생들이 자신감과 흥미를 가지고 지속적으로 참여하며, 과학 학습의 유용성을 인식할 수 있도록 다양한 방안을 모색할 필요가 있다.

이에 대한 여러 가지 대안 중 하나가 과학 완구이다(Kwon and Bok, 2007). 과학 완구는 다양한 교육 목표, 교육 형태, 학생 수준에 적용할 수 있는 교육적 유연성을 가지고 있으며(O’Brien, 1993) 흥미와 동기유발, 창의성 신장, 과학 개념 이해 등에 도움이 되는 것으로 알려져 있다(Stein and Miller, 1997; Sirinterlikci et al., 2009). 이 때문에 과학완구는 오래 전부터 모든 연령의 학생에게 탁월한 교육 도구로서 사용되어져 왔다(Sarquis and Sarquis, 2005).

과학 완구와 관련된 기존의 연구들을 살펴보면 과학 완구를 수업에 적용하여 그 효과를 분석한 연구(Kwon and Bok, 2007; Lee and Son, 2005; Lai and Wang, 2011; Quang et al., 2015; Raksapol, 2015), 과학 수업에 사용 가능한 과학 완구 조사 및 분석에 대한 연구(O’Brien, 1993; Güémez et al., 2009; Marek et al., 2018), 과학 완구를 이용한 교사 교육에 대한 연구(Sarquis and Sarquis, 2005; Taylor et al., 1990; Demir and Şahin, 2014; Park, 2017))로 나눠진다. 과학 완구를 수업에 적용한 연구로 대표적인 사례를 살펴보면, Lee and Son(2005)은 학습 동기 향상을 위한 물리 완구 교수 학습 자료를 개발하고 물리 완구 교수 학습 모형을 제안하였다. Kwon and Bok(2007)은 과학 완구 만들기 활동을 초등학교 5학년 학생들에게 적용한 결과, 과학 흥미도 및 개념 이해도에 긍정적임을 확인하였다. 또한 Lai and Wang(2011)은 4학년 학생들을 대상으로 과학 수업에서 완구를 적용하여 과학 성취도와 과학적 태도가 향상되었다고 보고하였으며, Quang et al.(2015)과 Raksapol(2015)은 각각 초등학생과 중학생들 대상으로 수업에 적용한 결과, 융합 교육과 개념 이해에 도움을 줄 수 있음을 제시하였다. 그러나 기존의 연구들은 완제품인 과학 완구를 이용하는 형태가 대부분이며, 학생이 직접 제작하는 과정을 거치더라도 규격화된 완구를 완성하는 형태이다. 또한 짧게는 4차시에서 길게는 14차시의 수업에 적용했으나, 한 가지 주제에 대해 1-2차시의 짧은 시간을 할애하고 있어 학생들이 충분한 시간을 가지고 제시된 내용을 체득하기에는 제한이 있다. 특히 정의적 영역은 일관성, 안정성이 높아서 변화가 어렵다는 점에서 지속적으로 충분한 차시의 수업이 적용될 필요가 있다(Kwon and Bok, 2007).

따라서 본 연구에서는 자석을 단일 주제로 재료의 접근성, 재미, 수준, 확장 요인에 초점을 두어 동작형 완구 만들기 교수 학습 자료를 개발하여 충분한 학습 활동을 적용하여 정의적 영역에 해당되는 과학에 대한 인식, 흥미, 태도, 동기의 변화를 살펴보고자 하였다.

Ⅱ. 연구 방법

Ⅲ. 연구 결과

1. 자석 동작 완구 만들기 교수 학습 자료 개발

가. 개발 방향

1) 교수 학습 자료의 주제 선정

본 교수 학습 자료는 기존의 연구와 달리 단일 소재로 다양한 동작 완구를 제작할 수 있는 ‘자석’을 주제로 선정하였다. 자석은 일상생활에서 흔히 접할 수 있을 뿐만 아니라 학생들에게 매우 흥미로운 활동 소재이며(Song, 2004), 자석 그 자체로 다양한 동작 완구를 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있다(Güémez et al., 2009). 자석에 대한 내용은 3학년의 자석의 이용을 시작으로 중학교의 전기와 자기로 심화, 확장 된다(Table 1). 자석 동작 완구 교수 학습 자료는 직접적인 개념 중심이 아닌 과학과 관련된 정의적 측면에서의 긍정적 변화에 초점을 두어 개발하고자 하였다. 따라서 역동적인 완구 제작을 위해 5, 6학년 교육과정의 전자석 부분과 그 외 전기와 자기 등의 내용까지 부분적으로 포함하였다.

<Table 1>

Curriculum content related to magnets

2) 교수 학습 자료의 특징

완구를 과학 수업에 활용할 경우, 단순하고 경제적이며 즐겁고 효과적이어야 하는 등 관련성 있는 기준에 부합하여야 한다(O’Brien, 1993).

‘자석 동작 완구 만들기’ 교수·학습 자료는 Table 2와 같이 크게 4가지 요인에 초점을 두고 개발하였다. 첫 번째 요인인 재료의 접근성을 높이기 위해 저렴하고 주위에서 손쉽게 구할 수 있는 재료를 사용하였다(Marek et al., 2018). 자석 동작 완구에 사용된 기본적인 재료는 지우개 달린 연필, 에나멜선, 자석, 휴지심. 이쑤시개, 나무막대, 우드록 등이며, 추가 제작 시 학생들의 주변에 있는 재료를 사용하도록 허용하였다.

<Table 2>

Material development principles

두 번째는 놀이의 특성에서 가장 중요한 재미 요인으로 모든 완구가 역동적인 동작이 가능하도록 하였다. 또한 학생들의 생각에 따라 모양, 색상 등 다양한 형태로 변화, 조작 가능하며 동일한 원리로 작동하는 재설계 버전이 가능하도록 구성하였다(Marek et al., 201). 그 외, 세 번째 요인으로 학생 수준에 따라 유연하게 전개가 가능하도록 하였으며(O’Brien, 1993) 마지막 요인으로 단일 현상에 대한 다양한 물리 영역을 포함하도록 하여 제작 과정, 작동 과정, 놀이 과정을 통한 타 영역 적용 및 응용 가능하도록 하였다(Güémez et al., 2009).

나. 교수·학습 자료 세부 내용

첫 번째 주제는 자석의 척력을 이용한 자동차 만들기이다([Fig. 1]). 재료는 휴지심, 장난감 바퀴4개, 원형자석 30∅ 2개, 우드록 막대(길이 150 mm)1개이다. 휴지심에 구멍을 뚫어 바퀴를 연결하고, 여기에 원형 자석을 부착한다. 그리고 우드록 막대에 자석을 부착하여 자석 a, b간의 척력으로 자동차가 앞으로 나아가게 만드는 형태이다. 학생들이 학교 교육과 일상 생활에서 자석의 성질 중 인력에 대해 이미 잘 알고 있으므로 척력을 먼저 제시하였다(Song, 2004).

[Fig. 1]

Magnets car.

두번째 주제에서는 4개 이상의 자석으로 확장하여 연필이 공중에 떠서 회전하는 장난감이다([Fig. 2]). 필요한 기본 재료는 우드록(100 mm×100 mm) 2장, 고리 자석 30∅ 4개, 연필, 나무 막대 3개, 테이프이다. 우드록 A의 가운데에 50∅ 원형 구멍을 낸 뒤 a, b, c 3개의 자석을 원형 구멍 둘레에서 동일한 거리에 있도록 정삼각형으로 배치한다. 고리 자석 a, b, c 사이로 나무 막대를 꽂아 우드록 A와 우드록 B를 연결한다. 그리고 자석 d를 뾰족하게 깎은 연필에 꽂은 다음, 우드록 A의 원형 구멍에서 돌린다. 이때, 자석 a, b, c와 자석 d의 반발력과 자석d의 회전 관성으로 균형을 유지하며 지속적으로 회전하게 된다.

[Fig. 2]

Spinning pencil.

세번째 주제는 자화를 이용하여 철로 된 고리가 회전하는 형태로([Fig. 3]), 철사, 고리형 네오디뮴자석 10∅, 우드록(100 mm×100 mm) 2장, 우드록 막대(길이 150mm) 4개, 미니 프로펠러를 기본 재료로 하고 있다. 먼저 우드록 2개의 각각의 네 모서리에 우드록 막대 4개를 기둥으로 연결하여 세운다. 그리고 우드록 가운데 긴 철사 막대를 꽂은 다음, 철사 막대가 자화되도록 네오디뮴 자석을 붙인다. 자화된 철사 막대 끝에 미니 프로펠러를 부착하여 바람을 불면 잘 돌아가도록 한다. 마지막으로 남은 철사를 이용하여 원하는 모양으로 고리를 만들어 프로펠러가 달린 철사막대에 건다. 이때 프로펠러에 바람을 불어서 자화된 철사(a)가 돌아가면 철사 고리(b)가 따라서 돌아가는 지 확인한다.

[Fig. 3]

Turning ring.

네번째는 자기력과 전기력의 상호작용을 이용한 피젯스피너이다([Fig. 4]). 우드록(100 mm×100 mm) 1장, 우드록 막대(길이 150 mm) 2개, D사이즈 1.5 V 건전지 1개, 에나멜선(굵기, 원형 네오디뮴자석 10∅ 3개, 사포, 피젯스피너가 필요하다. 제작 방법은 피젯스피너 측면에 원형 네오디뮴 자석을 부착하고, 피젯스피너가 공중에서 돌아가도록 피젯스피너의 중심에 우드록 막대를 붙여서 우드록 판에 부착하여 세운다. 3 m의 에나멜선의 양쪽 끝을 200 mm남기고 D사이즈 1.5 V 건전지 둘레에 감아서 전자코일을 만든다. 완성된 전자코일을 우드록 막대에 부착하고 전자코일(a)과 자석이 부착된 피젯스피너(b)가 마주 보게 한다. 에나멜선의 양쪽 끝을 전기가 통하도록 사포로 코팅을 벗기고 건전지 양극에 연결하여 피젯 스피너가 잘 돌아가는지 확인한다.

[Fig. 4]

Fidget spinner.

다섯번째는 자기력과 전기력의 상호작용을 이용한 그네 만들기이다([Fig. 5]). 재료는 우드록 (100 mm×100 mm) 1장, 지우개 달린 연필 2자루, 나무 막대, D사이즈 1.5 V 건전지 1개, 에나멜선(굵기), 원형 네오디뮴 자석 20∅ 1개, 사포이다. 우드록에 깎은 연필 2개를 꽂아서 그네 기둥을 만들고 그 사이에 뾰족하게 깎은 나무 막대를 연필 꼭지의 지우개 부분에 꽂아서 연결한다. 여기에 네번째 피젯 스피너 만들기에서 사용한 전자코일과 동일한 형태로 만들어 나무 막대에 연결한다. 매단 전자코일(a) 아래에 네오디뮴 자석(b)을 붙인다. 코팅을 벗긴 에나멜선 중 하나를 건전지 한쪽 극에 연결한다. 그리고 남은 전자코일의 한쪽을 건전지의 다른 극에 붙였다 뗐다를 반복하여 그네가 앞뒤로 움직이는 지 확인한다.

[Fig. 5]

Electromagnetic swing.

마지막은 맴돌이 전류를 이용하여 자석에 붙지 않는 알루미늄 캔이 자석의 회전에 따라 움직이는 형태의 장난감이다([Fig. 6]). 재료는 우드록 (100 mm×100 mm) 1장, 알루미늄 캔, 베어링(25∅), 실 300 mm, 우드록 막대(길이 150 mm) 1개, 고리형 네오디뮴자석 10∅ 1개이다. 먼저, 알루미늄 캔을 반으로 자른 다음 캔의 바닥에 베어링을 붙이고 우드록 막대를 연결한다. 베어링을 붙인 알루미늄 캔이 서서 돌아가도록 우드록(100 mm×100 mm)에 부착한다. 손으로 캔을 돌려서 잘 돌아가는지 확인한 후, 실에 매단 네오디뮴 자석을 회전시켜(a) 캔의 중심에 서서히 접근시킨다. 이때 자석이 회전하는 방향으로 캔이 돌아가는 것을 확인하도록 한다.

[Fig. 6]

Spinning CAN.

2. 자석 동작 완구 만들기 수업 적용

각 주제별 세부적인 내용은 Lee and Son(2005)의 과학 완구 학습 모형을 바탕으로 각각 4차시 수업으로 진행하였다. 4차시의 수업은 ‘과학 완구 탐색하기→과학완구 제작하기→과학 완구를 이용한 탐구 활동 전개하기→과학 완구의 재설계 및 발전’으로 진행되며 학생들에게 개념과 관련된 내용을 직접적으로 제시하는 것은 거부감을 줄 수 있으므로 ‘완구와 관련된 문제 진술/현상과 원리 예측’ 단계는 제외하였다. 대신, 과학 완구에서 재미와 실용적인 놀이가 결합될 때 동기 부여에 긍정적이라는 측면에서(O’Brien, 1993) ‘완구를 이용한 탐구 활동 전개’ 단계에서 자석과 관련된 현상에 관심을 가지고 충분히 관찰한 후, 자신이 제작한 장난감을 직접 동작시키고 놀이 활동을 하는 것에 초점을 두었다([Fig. 7]). 따라서 활동별로 차시 구분이 없는 유연한 형태의 4시간 집중 수업으로 진행하였으며 학습 내용 제시에 대한 섣부른 설명보다는 학생이 관심을 갖고 완구를 작동시킬 수 있는 시간을 제공하였다(Haury, 1999). 수업은 총 24차시로 6주간 지속적으로 실행되었다.

[Fig. 7]

Example of magnetic toy play activity.

3. 자석 동작 완구 만들기수업 적용 결과

가. 과학의 정의적 특성에 미치는 영향

자석 동작 완구 만들기 수업이 과학의 정의적 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 Kim et al.(1998)의 정의적 특성 검사지를 이용하였다. 본 연구에서의 Cronbach α의 계수는 사전 0.604, 사후 0.782로 나타났다. 총 24차시의 수업 이후 정의적 특성 점수는 사전=175.15점에서 사후=186.75점으로 향상되었으며, t-검정 결과 과학의 정의적 특성의 긍정적 향상에 p<.001 수준에서 통계적으로 유의미한 효과가 있는 것으로 나타났다(Table 3). 정의적 특성 중 가장 평균 점수가 상승한 영역은 흥미로 나타났다. ‘흥미’ 는 과학과 관련된 어떤 대상이나 활동에 대한 관심이나 감정에 해당되는 부분으로 사전=52.25점, 사후=57.35점으로 p<.001 수준에서 유의미한 결과를 보였다. 과학과 관련된 대상이나 활동에 대한 ‘인식’ 영역에서는 사전=45.05점, 사후=48.50점으로 나타났다. 과학자적 태도로서 탐구하는 자세와 관련된 ‘태도’ 영역은 사전= 77.85점, 사후=80.90점으로 향상되었으나 통계적으로 유의미한 차이를 보이진 않았다.

<Table 3>

Affective characteristic test results

나. 과학 학습 동기에 미치는 영향

자석 동작 완구 만들기 수업이 과학 학습 동기에 미치는 영향을 알아보기 위해 Anderman and Young(1994)의 과학 학습 동기 검사지를 이용하였다. 본 연구에서의 Cronbach α의 계수는 사전 0.710, 사후 0.840으로, 신뢰도가 확보된 것으로 판단하였다.

학습 동기 검사는 과학에 대한 자아효능감, 피상적 전략, 심층적 전략, 자아 개념 능력, 가치, 기대, 능력 중심 목표 지향, 학습 중심 목표 지향의 총 8개의 범주로 구성되어 있다(Table 4). 이중 피상적 전략과 심층적 전략, 능력 중심 목표 지향과 학습 중심 목표 지향은 각각 대비되는 개념이다. 과학 학습 동기의 사전, 사후 검사 결과는 <Table 4>와 같다. 과학 학습 동기 점수는 사전=115.45점, 사후=126.05점으로 p<.001 수준에서 유의미한 차이가 나타난 것으로 보아 자석 동작형 완구 만들기 수업이 학생들의 과학 학습 동기에 긍정적인 영향을 준 것으로 판단된다.

<Table 4>

Science learning motivation test results

과학 학습 동기의 하위 범주에서 가장 큰 효과가 나타난 것은 과학에 대한 자아효능감(사전=13.00점, 사후=16.35점)으로, p<.001 수준에서 통계적으로 유의미한 효과가 있는 것으로 나타났다. 그 외 과학에 대한 가치(사전=9.70점, 사후=12.70점, p<.001), 과학에 대한 기대 범주(사전=11.50점, 사후=12.70점, p<.05)가 통계적으로 유의미한 효과를 보였으며 과학에 대한 자아개념, 피상적 전략, 학습 중심 목표 지향 범주는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다.

동기의 하위 요소 중 대비되는 개념인 피상적 전략과 심층적 전략, 능력 중심 목표 지향과 학습 중심 목표 지향 중 심층적 전략과 능력 중심 목표 지향 범주에서만 유의미한 차이가 있었다. 심층적 전략 범주에서 사후 점수가 향상된 것(사전=25.60 점, 사후=27.15점, p<.05)으로 보아 자석 동작 완구 만들기 수업이 학생들로 하여금 깊게 생각하고 이해하고 노력하도록 하는데 긍정적인 영향을 준 것으로 판단된다. 한편, 능력 중심 목표 지향 범주에서는 사후 점수가 감소한 것(사전=10..80점, 사후=9.65, p<.005)으로 나타나 관련 학습 내용 이해에 있어 수동적으로 학습한 학생이 감소한 것으로 보인다. 그러나 능력 중심 목표를 지향하는 경우와 반대되는 개념인 학습 중심 목표 지향에서는 사후 점수가 근소한 차이로 증가(사전=14.25점, 사후=14.55점)하였으며 통계적으로 유의미한 결과를 보이지는 않았다.

Ⅳ. 결론 및 제언

본 연구에서는 ‘자석’을 단일 주제로 재료의 접근성, 재미, 수준, 확장 요인에 초점을 두어 6종의 동작형 완구 만들기 교수 학습 자료를 개발하였다. 개발된 교수 학습 자료를 초등학생 3, 4학년 20명을 대상으로 24차시의 수업을 실시하고 과학의 정의적 특성, 과학 학습 동기에 대한 설문을 실시하였다. 분석 결과, 정의적 특성과 과학 학습 동기 모두 사후 검사에서 유의미하게 높은 점수를 보였다. 일반적으로 인식, 태도 흥미, 동기 등 과학의 정의적 영역은 개인의 행동을 규제하는 힘으로써 포괄적이며, 일관성과 안전성이 높아서 변화가 어렵거나 오랜 시간이 걸린다는 특징을 가지고 있다(Kwon and Bok, 2007). 그럼에도 본 교수 학습 자료의 적용 결과, 유의미한 결과는 정의적 영역의 특성과 학생 수준을 고려하여 단일 주제의 6종 자석 동작형 완구 만들기를 단계적으로 심화되는 형태로 제시한 점, 한 주제 당 4차시의 유연한 수업 구성과 6주간 24차시의 지속적인 실행이 영향을 주었을 것이라 판단된다.

정의적 특성에서 가장 큰 성과를 보인 것은 ‘흥미’ 영역이었으며 과학 완구 적용 시 일반 수업에 비해 학생들이 많은 흥미를 가진다는 기존의 연구(Lee and Son, 2005; Raksapol, 2015)와도 일치하였다. 그 외 정의적 특성에서 ‘인식’ 부분에서도 유의미한 효과가 나타났으나 ‘과학적 태도’ 에서는 통계적으로 유미한 차이를 보이지 않았다.

과학 학습 동기에는 자아효능감과 가치 범주에서 가장 큰 효과를 보였다. 학생들이 자아효능감과 관련된 사후 질문지에서 과학을 공부하는 것이 어렵지만 할 수 있다는 것과 충분한 시간만 있다면 어려운 문제도 해결할 수 있다는 질문에 긍정적으로 답하였음을 확인할 수 있었다. 이는 과학 완구를 이용한 과학 수업을 통해 과학에 대한 자신감과 열정이 향상되었다는 Quang et al.(2015)의 연구 결과와 일치한다. 또한 과학 학습 동기의 하위 범주인 ‘가치’ 범주에서의 긍정적인 답변을 통해 자석 동작 완구 만들기 수업이 학생들에게 과학에서 학습한 것이 유용하며 과학을 잘하는 것이 중요하다고 생각하게 되는 계기가 된 것을 확인할 수 있었다. 이는 과학 학습의 즐거움과 과학의 유용성을 인식하여 평생학습능력을 기르는 것을 목표로 하고 있는 2015 과학과 교육과정의 목표와도 상당히 부합되는 결과이다.

그리고 자아효능감과 같은 정의적 특성은 지속적인 과제 수행과 다양하고 효과적인 전략을 통한 문제 해결에 긍정적인 영향을 줌으로써 개념 이해도에도 영향을 줄 수 있다(Güémez et al., 2009; Song, 2004). 따라서 본 교수 학습 자료의 적용으로 정의적 특성과 학습 동기 뿐 만 아니라 개념 이해 향상에도 도움을 줄 수 있을 것이라 생각된다.

그러나 본 연구에서는 자석 동작형 완구 만들기 교수 학습 자료 개발 및 적용을 통해 정의적 특성과 학습동기의 향상 정도를 살펴보았으므로 과학 완구 속에 숨겨진 과학 원리를 학생들이 잘 이해했는지에 대해서는 파악하기 어렵다. 자석 동작형 완구 만들기 교수 학습 자료의 보완 및 적용, 개념 이해도 분석 등 다각적인 측면에서의 추가 연구를 통해 교수 학습 자료의 실효성을 높일 수 있을 것이라 기대한다.

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