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Students' Comprehension and Interpretation Process of InscriptionsRepresenting the Concept of Atom and Molecule

원자 및 분자 개념을 표상한 시각자료에 대한 중학생들의 이해 및 해석 과정

  • Noh, Tae-Hee (Department of Chemistry Education, Seoul National University) ;
  • Yoon, Mi-Suk (Munsung Middle School) ;
  • Han, Jae-Young (Department of Chemistry Education, Chungbuk National University,)
  • Published : 2009.06.20

Abstract

In this study, the 9th grade students were interviewed to explore their comprehension and interpretation processes of inscriptions representing the concept of atom and molecule. We used a semiotic model for the interview and the analysis of result. The research result revealed that the students performed structuring processes of interpreting inscriptions successfully, but they had a difficulty with translating processes for attaining the target concept or for connecting an inscription with another inscription. Translating processes of connecting inscription with text showed a different result according to achievement level of each student. On the other hand, all the interviewees showed similar sequences in the processes of interpreting inscriptions. Educational implications of these findings were discussed.

Keywords

Atom;olecule;nscription;nterpretation process;emiotics

서 론

화학은 다양한 시각자료를 이용하는 시각적인 과학이며, 과학 개념의 이해를 돕기 위해 그래프, 표, 다이어그램과 같은 시각자료가 빈번하게 활용된다.1-3 시각자료는 화학 개념을 시각적으로 표상함으로써 언어적 표상인 글의 내용을 설명하거나 보완하는 기능을 한다.1-5 또한 시각자료는 화학 개념의 구조나 화학 반응의 과정 등을 한눈에 나타낼 수 있으므로, 언어적 표상만으로는 설명하기 힘든 내용을 효과적으로 표현할 수 있다.1,6 화학에서는 특히 물질을 구성하는 입자에 대한 개념을 구성하는 것이 중요하다.1,7-9 이에 추상적이고 미시적인 입자 개념7-10이 처음으로 도입되는 중학교 과학 교과서에는 원자 및 분자 개념의 이해를 돕기 위해 많은 시각자료들이 제시되어 있다.11-13

과학 교과서에 제시된 원자 및 분자 개념은 중학생들의 인지 발달 수준을 고려하여 실제 화학자들이 사용하는 개념에 비해 좀 더 간단하게 표현되었다.10 하지만 학생들이 원자 및 분자 등 물질의 입자를 표현한 시각자료를 해석 하는 작업은 쉬운 일이 아니다.1,3 원자 모형이나 분자 모형이 포함된 시각자료에는 과학자 집단의 표현방식이나 화학 영역에서 빈번하게 사용되는 기호, 집필자의 의도 등이 함축되어 있으므로,13 거시 세계에서 학생들이 경험하는 내용과 원자 및 분자 모형을 이용한 설명 사이에는 여전히 일정 정도 거리감이 존재한다.1,9 원자 모형에 사용된 기호에 익숙하지 않은 학습자는 자신의 선행 경험과 사전 지식에 따라 그 기호의 의미를 집필자의 의도와 다르게 형성할 수 있으며,1 결과적으로 화학 개념의 이해 수준이 낮아질 수 있다. 즉 과학에서 사용되는 기호의 의미를 구성하는 작업은 자연적으로 터득되는 것이 아니라, 과학자의 사회에서 통용되는 기호의 의미를 배워야 하는 과정이다.14,15 이처럼 과학적 기호가 지닌 의미의 중요성에 따라 최근 교육 연구에서는 기호의 본질과 그 구성 요소를 분석하고 기호의 해석작용을 연구하는 기호학15에 근거한 연구들이 활발하게 이뤄지고 있다.1,3-5,13-15,17-21

시각자료에 대한 선행연구에서 학생들이 화학 개념에 도달하기 위해 시각자료를 학습하는 과정은 단순하지 않으며,1,13시각자료와 글을 의미 있게 연결하는 작업도 쉽지 않다고 주장한다.1,3,19-21 또한, 원자 및 분자 개념을 표상한 시각 자료를 통해 학생들이 스스로 구성한 화학 개념은 교과서의 집필자나 교사가 의도한 목표 개념과 일치하지 않을 수도 있다.10 그러나 이들 선행연구들은 교과서에 제시된 시각자료를 기호학적으로 분석한 것이며, 학생들의 시각자료 이해 내용을 직접 조사하지 않았다는 한계를 가진다. 따라서 학생들이 교과서의 시각자료를 교육과정의 의도대로 해석하는지의 여부를 알기 위한 연구가 필요하다. 이와 같이 학생들이 시각자료를 해석하는 과정을 조사하여 학생들이 어려움을 겪는 해석 과정을 파악함으로써, 화학 개념을 성공적으로 이해하도록 유도할 수 있는 효과적인 시각자료 제시 방안을 탐색하고 물질의 입자성에 대한 교수-학습에 적용할 수 있는 실제적인 시사점을 얻을 수 있을 것이다.

이에 이 연구에서는 면담을 사용하여 학생들이 시각자료를 통해 구성한 원자 및 분자 개념의 내용을 조사하고, 학생들이 시각자료를 해석하는 과정 및 이 과정에서 학생들이 겪는 어려움을 분석했다.

 

연구 방법

연구 대상 및 면담 시기

원자 및 분자 개념을 학습한 중학교 3학년 학생 12명을 대상으로 면담을 실시했다. 면담에 참여한 학생들은 서울 소재의 중학교에 재학하고 있으며, 3학년 종합 성적 총점을 기준으로 상, 중, 하로 나누어 무선 표집했다. 면담 동의서를 제출하고 자신의 생각을 언어로 잘 표현하는 학생을 연구 대상으로 선정했다(Table 1).

면담 학생 선정 과정에서 중상위권 학생들은 면담에 비교적 우호적인 태도를 보였으나, 하위권 학생들은 과학 내용에 대해 면담을 하는 상황 자체를 싫어하여 대체로 면담에 동의하지 않았다. 따라서 하위권 학생들이 자발적으로 면담에 참여하도록 하는 과정에서 어려움이 있었다. 또한, 중학생들의 성적 분포에서 상위권에서는 여학생의 비율이 높고, 하위권에서는 남학생의 비율이 높은 점을 고려하여 Table 1과 같이 최대변량표집의 방법으로 면담 대상을 선정했다.

Table 1.Background information of the participants

면담에 사용한 시각자료는 선행연구에서 조사된 것으로, 중학교 3학년 과학 교과서에 제시된 원자 및 분자 개념을 표상한 시각자료 중 활용 빈도가 높은 시각자료 및 새로운 유형의 시각자료 등이다.13 즉, 구 도식 원자 모형, 일상생활의 사물을 이용한 원자 모형, 공과 막대기 모형, STM(Scanning Tunneling Microscope: 주사터널링현미경) 그래픽 원자 모형, 두 가지 모형이 혼합된 경우 등의 5가지 시각자료를 과학 교과서에 제시된 형태 그대로, 시각자료 뿐 아니라 교과서에 제시된 글과 함께 면담에 이용했다.

면담 시기는 원자 및 분자 개념을 학습한 후 3개월의 기간이 지난 후이므로 단기 기억에 의한 효과가 아닌 장기 기억에 파지된 원자 및 분자 개념을 조사할 수 있었다.

연구 절차

우선 연구자의 면담 기술을 훈련하기 위해 연구 대상과 유사한 대상 6명을 선정하여 예비 면담을 실시했다. 사전에 선행연구13의 분석 결과를 바탕으로 예비 면담 질문 목록을 작성했으며, 예비 면담하는 과정을 녹음‧녹화했다. 예비 면담내용을 전사한 후 분석한 자료를 과학교육 전문가, 중학교 과학 교사를 포함한 모든 연구자들이 논의하는 과정을 통해 본 연구의 면담 질문지의 내용 및 면담 과정을 수정‧보완했다.

본 연구의 면담 질문지를 개발한 후 2인의 과학 교육 전문가와 3인의 중학교 과학 교사가 타당도를 검토했다. 면담 질문은 시각자료에 대한 해석체, 시각자료와 목표 개념의 연결 등과 같이 항목별로 구분하였고, ‘이 그림을 보고 이해하고 해석한 내용을 말해 줄래?’, ‘이 그림을 보고 원자에 대해 무엇을 알게 됐니?’, ‘처음에 뭘 봤어?’, ‘머릿속에 뭐가 떠올랐어?’, ‘그 다음엔 어떤 생각을 했어?’ 등과 같이 시각자료에 대한 학생들의 이해도와 해석 과정을 알아보기 위한 질문으로 구성했다. 면담 질문지의 예를 부록에 제시했다.

실제 면담은 예비 면담을 실시했던 연구자 1인이 실시했다. 면담자는 학생과 상호 신뢰의 관계를 형성했으며, 질문의 내용을 미리 숙지한 후에 대화 형식으로 면담을 진행하였다. 학생들이 본인의 생각을 제약 없이 말하고, 그렇게 말한 이유를 자세히 설명하도록 하는 ‘반구조화된 면담’의 방법을 사용했다.22 면담 질문지는 체크리스트로 사용함으로써 생략된 항목이 없도록 했으며, 각 학생들의 반응에 따라 심층적인 질문을 추가로 하기도 했다. 또한, 면담 과정에서 앞서 제시된 시각자료의 내용이 학생의 응답에 미치는 영향을 최소화하기 위해 학생별로 시각자료를 제시하는 순서를 다르게 함으로써 연구의 타당도를 높이고자 했다. 즉, 각 시각자료에 번호를 매긴 후 1 → 2 → 3 → 4 → 5, 3 → 1 → 5 → 4 → 2, …, 5 → 4 → 3 → 2 → 1과 같이 학생마다 시각자료의 제시 순서를 다르게 조합했다.

면담 소요 시간은 학생에 따라 1인당 총 45분에서 60분 정도였으며, 학생 1인당 평균 50분 정도 소요됐다. 면담 시간은 주로 방과 후에, 면담 장소는 과학실이나 도서실 등 조용한 공간에서 실시했다. 면담자는 면담 과정을 모두 녹음‧녹화했으며, 면담 과정에서 나타나는 학생의 특이한 행동, 표정 및 연구 외적인 현상 등을 관찰 노트에 작성했다.

면담이 모두 끝난 후 녹음‧녹화 자료 및 관찰노트를 바탕으로 프로토콜을 작성하여 그 내용을 점검했다. 프로토콜은 학생의 말을 기본으로 기록했고, 학생의 행동이나 표정 등을 ( )안에, 직접 말로 표현하지는 않았으나 맥락상 포함될 표현이나 이후 면담 과정에서 나타난 부가적인 내용을 [ ]안에 나타내는 방법으로 작성했다.

분석 방법

선행연구13에 제시된 기호학적 분석틀(Fig. 1)에 의거하여 학생들과의 면담 내용을 분석했다. Fig. 1에서 타원에 놓인 것은 교과서에 인쇄된 기호(sign)이며, 그 구성 요소는 글(T), 원자 및 분자 개념을 이미지로 표상한 시각자료(I.I)와 사물을 이용하여 표상한 시각자료(I.M)이다.13 피라미드의 밑면 꼭짓점에 있는 것은 기호의 의미를 파악한 해석체(interpretant)에 해당하며, 피라미드의 정점(P.N.M)에 놓인 것은 목표 개념(object)이다. 즉, Fig. 1의 분석틀은 시각자료의 해석 과정을 체계화하기 위해 기호, 그에 대한 해석체, 목표 개념이라는 세 가지 구성 요소로 분석하여 기호의 해석 작용을 연구하는 기호학적 분석 방법론을 도입함으로써, 시각자료의 해석 과정을 요소별, 단계별로 세분화하여 분석한 것이다. 시각자료를 해석하는 각각의 과정은 점선으로 표시된 구조화 과정(structuring process: st)과 실선으로 표시된 번역 과정(translation process: tl)으로 구성되었다.1 구조화 과정(st1~st3)은 시각자료나 글 자체의 내용을 파악하는 과정으로, 기호에 해당하는 시각자료나 글에 대한 해석체를 구성하는 과정이다. 번역 과정은 구조화 과정에서 구성한 해석체 간의 의미를 연결하거나(tl1~tl3), 해석체를 목표 개념에 대응함으로써 목표 개념에 도달하는 과정(tl4~tl6)을 의미한다.1)

Fig. 1.The semiotic model of the processes of interpreting the chemical inscriptions representing concept of atom and molecule. (I.I=Inscription Representing by Image, T=Text, I.M=Inscription Representing by Matters, I.I.I=Interpretant of the Inscription Representing by Image, I.T=Interpretant of the Text, I.I.M=Interpretant of the Inscription Representing by Matters, P.N.M= Particulate Nature of Matter)

면담 질문의 항목별로 학생들의 응답을 정리한 후 Fig. 1을 이용하여 시각자료의 해석 과정을 분석했다. 면담 내용 분석은 과학교육 전문가, 중학교 과학 교사를 포함한 3인의 연구자가 했으며, 연구의 타당도와 신뢰도를 높이기 위해 분석이 애매한 경우에는 분석자간 논의를 거쳐 분석했고, 모든 연구자들이 동의한 사항에 한하여 분석 결과를 해석하고 결론을 도출했다.

연구 결과 및 논의 내용은 연구자들이 시각자료와 기호학적 분석틀, 분석 결과, 선행연구 등을 종합적으로 고려하고 반복적으로 검토하여 작성한 것이다. 이후 과학교육 전문가, 과학교사, 과학교육 전공 대학원생을 포함하여 총 10인 이상으로 구성된 연구진 회의를 함으로써 분석 결과 및 주장, 결론을 수정‧보완하여 주관성 수준23을 높이고자 했다. 또한 질적 연구의 질과 신용성을 높이기 위해서 분석 및 검토 과정을 녹음‧녹화하고 반성적으로 사고한 내용도 기록해 두어 감사 경로를 구성했다.23

 

연구 결과 및 논의

기호학적 분석틀에 의거하여 각각의 시각자료 유형에 따른 시각자료의 해석 과정과 시각자료의 해석 순서에 대해 특징적인 내용을 기술‧논의한다.

구 도식 원자 모형 시각자료의 해석 과정

원자 및 분자 개념을 구 도식 원자 모형으로 표상한 시각자료(Fig. 2, Fig. 3)에 대한 학생들의 해석 과정을 기호학적 모델로 나타낸 결과는 Fig. 4와 같다. 기호학적 모델에서 굵은 실선은 학생들이 대부분 잘 수행하는 해석 과정을 나타낸 것이며, 굵은 점선은 과반수의 학생들이 어려워하는 해석 과정을 의미한다. 또한 가는 점선은 Fig. 1의 기호학적 모델에서 빠져있는 해석 과정을 의미한다.

Fig. 2의 왼쪽 시각자료의 내용을 파악하는 구조화1 과정(st1)에서 면담자 12명 중 11명의 학생들이 마그네슘과 산화마그네슘의 원 도식 모형과 실제 현상을 나타낸 사진을 연결하는 지시선으로 인해 원 도식 모형이 무엇을 의미하는지 바로 파악할 수 있었다고 응답했다. 즉, 지시선은 거시적 현상과 미시적 입자 모형을 유의미하게 연계함으로써 구조화1 과정의 성공적인 수행을 촉진했다고 볼 수 있다.

Fig. 2의 오른쪽 시각자료의 내용을 파악하는 구조화1 과정(st1)에서는 10명의 학생들이 검은색 원자 모형과 숯 사진이 같은 물질을 나타낸 것이라고 인식했지만, 2명(하2)은 원자 모형과 사진에서 모양이나 색과 같은 피상적 특징과 사전 경험에 의존하여 아래와 같이 모형과 사진을 다른 물질로 인식하는 모습을 보였다.

위의 면담 내용처럼 시각자료의 내용을 파악하는 구조화 과정에서, 일부 학생들은 물질을 입자적으로 표현한 원자 모형을 잘 이해하지 못하고 거시 세계에서 눈에 보이는 모습대로 생각하는 경향을 보였다.9,10 따라서 Fig. 2의 왼쪽 시각자료처럼 입자 모형과 거시적 현상을 지시선으로 연결한다면, 입자 모형과 거시적 현상을 보다 수월하게 연계함으로써 학생들이 구조화 과정을 더욱 성공적으로 수행하도록 도울 수 있을 것이다.1

Fig. 2.A typical inscription representing atoms and molecules by circular diagram.

학생들이 시각자료의 의미를 파악한 해석체를 토대로 목표 개념을 이해하는 번역1 과정(tl1)을 조사한 결과, Fig. 2의 시각자료에 대해 8명(상2, 중3, 하3)의 학생들은 아래와 같이 시각자료가 마그네슘과 숯이 산소와 결합하는 연소 과정을 나타냄을 이해하는 데 어려움을 보였다.

학생들은 시각자료가 전달하고자 하는 의미를 이해하지 못하고, 물질이 산소와 결합하는 과정인 연소에 대해 산소가 빠져나가는 것이라 응답하기도 하였다. 이는 학생들이 ‘타면 무엇인가 빠져나가거나 공기 중으로 날아간다’는 생각에 기초하여 시각자료를 해석하는 것으로 추측된다.12,24

Fig. 3.The another inscription representing atoms and molecules by circular diagram.

Fig. 3의 시각자료에서 원자와 분자를 인식하고 구별하는 번역1 과정(tl1)에서는 9명(상3,중4,하2)의 학생들이 원자의 개념을 한 가지 원소로 구성된 순물질의 개념과 혼동했으며 분자의 개념을 두 가지 이상의 원소가 결합한 화합물의 개념과 혼동하는 모습을 보이면서 원자와 분자 개념을 정확하게 구분하지 못했다.

Fig. 4.The semiotic model showing the interpreting processes of the inscription in Fig 2 and Fig 3.

학생들이 원자와 원소, 분자와 화합물의 개념을 혼동하는 것은 과학 교과서에 원자와 원소 개념 설명이 혼재되어 있고, 분자를 단순히 원자들의 조합이 아닌 물질의 특성을 가진 가장 작은 입자로 정의하는 아보가드로의 관점이 상대적으로 덜 강조된 것에 기인할 수 있다.25,26 따라서 교사는 이러한 점을 고려하여 학생들에게 시각 자료에 표현된 원자 및 분자 개념에 대한 설명을 자세히 제공할 필요가 있다.

STM 그래픽 시각자료의 해석 과정

STM 그래픽을 이용하여 원자 및 분자 개념을 이미지로 표상한 시각자료(Fig. 5)를 학생들이 해석하는 과정을 Fig. 6의 기호학적 모델로 나타냈다. STM 그래픽에 대한 해석 과정에서는 구조화 과정 및 번역 과정을 모두 어려워하는 경향이 나타났다.

Fig. 5.The example of inscription visualizing atoms by using STM graphic.

Fig. 6.The semiotic model showing the interpreting processes of the inscription in Fig 5.

시각자료의 내용을 파악하는 구조화1 과정(st1)에서 7명(상3, 중1, 하3)의 학생들이 시각자료에 나타난 원자의 모습은 STM 현미경으로 직접 본 모양이라고 대답했다.

이러한 응답은 해당 교과서의 설명에 ‘STM을 이용하면 시료 표면의 원자를 관찰할 수 있을 뿐 아니라’, ‘이와 같이 STM은 나노의 세계에서 우리의 눈뿐만 아니라 손의 역할을 하고 있다.’라고 제시된 표현으로부터 기인할 가능성이 있다.9 따라서 교과서에 STM 그래픽을 제시할 경우, 그 원자의 모양은 미시적 수준의 데이터를 컴퓨터로 영상화한 이미지임을 보다 명확히 설명함으로써, STM 현미경으로 ‘본다’라는 표현이 육안으로 거시 세계의 물질을 보는 것과 다르다는 전제와 원자의 색이 임의적이라는 내용을 이해하기 쉽게 안내해야 할 것이다.9,13

STM 그래픽을 본 후 원자에 대해 알게 된 점을 질문하여 번역1 과정(tl1)을 조사한 결과, 6명 (상3, 중2,하1)의 학생들이 아래와 같이 원자의 모양과 색에 대한 생각이 변했거나 혼동된다고 응답했다.

이처럼 학생들은 STM 그래픽에 구현된 원자의 독특한 모양과 색으로 인해 원자가 물질의 덩어리와 같이 특정 모양과 색을 띠고 있다는 오개념9을 형성할 수 있음을 주의해야 한다. 따라서 원자는 모양과 색을 논할 수 없을 정도로 작은 크기의 물질 입자임을 환기하는 것이 필요하다.9 또한, 교과서 집필자 및 교사는 STM 그래픽에 제시된 원자의 모습이 과학 지식을 바탕으로 재현한 사회적 구성물임을 명시적으로 설명함으로써 학생들이 번역1 과정을 잘 수행하도록 지도해야할 것이다.

일상생활의 사물을 이용한 시각자료의 해석 과정

일상생활의 사물을 이용한 원자 모형이 포함된 시각자료(Fig. 7)를 학생들이 해석하는 과정을 Fig. 8과 같이 나타냈다.

시각자료에 제시된 사물이 무엇을 나타내는가에 대한 질문을 하여 구조화3 과정(st3)에 대해 조사한 결과, 대부분의 학생들(11명)은 Fig. 7의 사물이 원자 모형의 비유적 표현이라는 것을 잘 이해함으로써 구조화3 과정(st3)을 비교적 잘 수행하는 모습을 보였다.

학생들에게 Fig. 7에 제시된 ‘수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개가 결합하면 물이 생성된다. 이것을 준비한 모형을 이용하여 나타내 보자’라는 글을 읽도록 한 후 물의 생성 과정을 표현하는 데 적합한 사물을 선택하고 결합 방식과 그 이유를 설명하도록 하여 화학반응의 과정에 대해 이해하는 번역2 과정과 번역3 과정(tl2, tl3)에 대해 조사했다. 그 결과 6명(상2,중1,하3)이 아래와 같이 화학반응 후 새로운 물질의 생성 과정을 올바르게 설명하지 못했다.

Fig. 7.The example of inscription representing atoms and molecules by using the matters of everyday life.

Fig. 8.The semiotic model showing the interpreting processes of the inscription in Fig 7.

위 학생의 경우, 물이 생성되는 것을 수소 원자로 집게 2개와 산소 원자로 클립 1개를 연결하여 표현할 것이라는 면담자의 예상과는 달리, 스티로폼 구를 이용하여 물 모형을 만들겠다고 대답했다. 이 학생은 산소와 수소, 물이 서로 다른 물질인 것은 이해했지만, 수소와 산소 원자가 재배열되어 물이 생성된다는 화학반응의 과정은 제대로 이해하지 못하고 있다. 즉, 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 결합함으로써 물이 생성된다는 글의 내용은 이해했지만(st2), 화학 반응에서 원자는 생성되거나 소멸하지 않으므로 화학 반응 전과 후에 원자 모형이 일관성을 지녀야 함을 이해하는 번역2 과정과 번역3 과정(tl2, tl3)을 잘 수행하지 못했다. 이런 경향은 중하위권의 학생 뿐 아니라 상위권의 학생들에게도 나타났다.

이러한 결과는 학생들이 거시 세계의 현상으로 경험하는 화학적 변화를 물질의 입자성의 관점에서 원자 모형을 이용하여 설명하는 것에 인지적 어려움을 겪고 있음을 말해준다.9 즉, 다수의 학생들은 반응 물질의 원자들이 재배열하여 새로운 생성 물질로 변하는 화학 변화에 대해 피상적인 수준에서 이해함으로써 화학 반응 전후의 반응 물질과 생성 물질을 별개로 인식하고 있다. 따라서 교과서 집필과 수업 지도 과정에서 일상생활의 사물 등 다양한 원자 모형을 사용하여, 화학적 변화를 물질을 구성하는 원자들의 재배열의 관점에서 심층적으로 이해할 수 있도록 주의 깊게 설명해 줄 필요가 있다.

공과 막대기를 이용한 원자 모형 시각자료의 해석 과정

공과 막대기를 이용한 원자 모형(Fig. 9)에 대한 학생들의 해석 과정을 Fig. 10에 나타냈다.

Fig. 9.The example of inscription representing atoms and molecules by using ball-and-stick.

Fig. 10.The semiotic model showing the interpreting processes of the inscription in Fig 9.

11명(상4, 중4, 하3)의 학생들이 원자들 간의 구별을 쉽게 하기 위해 공의 크기와 색을 다르게 했다고 응답하여, 원자 모형에서 공의 크기와 색의 임의적 표현을 이해하는 구조화3 과정(st3)을 올바르게 수행했음을 알 수 있었다. 또한, 모든 학생들이 ‘공은 원자를 나타내며 막대는 이어주는 역할을 한다’고 대답하여 공과 막대기가 각각 원자와 결합 상태를 의미함을 잘 파악하여 구조화3 과정을 성공적으로 수행했다.

하지만 4명(상2,중1,하1)의 학생들은 Fig. 9의 [B. 연소]에서 같은 수소 원자에 해당하는 공의 크기가 다른 것은 더 많은 수의 원자가 결합했기 때문에 그 크기가 변화한 것이라고 대답했으며, 3명(중1,하2)의 학생들은 Fig. 9의 [C. 앙금생성]에서 은을 표현한 흰색 공을 수소라고 혼동했다.

이처럼 같은 그림 안에서 동일한 원자 모형이 여러 가지 원자를 나타내는데 중복되어 쓰이거나, 같은 원자에 대해 원자 모형이 서로 다르게 표현되면 실제로 일부 학생들이 시각자료의 내용을 파악하는데 혼동을 일으키므로, 교과서 집필자들은 이와 같은 표현적 오류가 나타나지 않도록 주의를 해야 할 것이다.13

한편, 12명의 학생들 모두 글이나 분자식 없이 공과 막대기의 원자 모형만 있었다면 원자 모형의 조합이 무엇을 의미하는지 몰랐을 것이라고 응답함으로써 번역3 과정(tl3)이 쉽지 않음을 나타냈다. 그러나 원자 모형을 글이나 분자식, 원소기호와 대응해 봄으로써 화학 반응 및 목표 개념에 대한 이해가 더 잘 된다고 응답하여 공과 막대기를 이용한 시각자료의 이해에서 번역5 과정(tl5)이 매우 중요함을 시사했다.

두 가지 유형의 시각자료를 대응하는 해석 과정

Fig. 11은 원자 및 분자 개념을 이미지로 표상한 시각자료와 사물을 이용하여 표상한 시각자료가 함께 제시된 예이며, Fig. 12는 이에 대한 해석 과정을 조사한 결과이다. 학생들은 목표 개념을 깊이 있게 이해하기 위해 두 가지 유형의 원자 모형에 대한 각각의 해석체를 대응하는 번역6(tl6)의 해석 과정을 수행한다.

두 가지 유형의 시각자료를 대응하는 번역6 과정(tl6)은 4명(상2, 중2)의 학생들만 성공적으로 수행했다. 이 학생들은 서로 다른 유형의 시각자료간의 공통점과 차이점을 잘 파악하며 번역6 과정을 쉽게 수행하거나, 처음엔 두 가지 시각자료를 잘 대응하지 못했지만 반복해서 살펴보았을 때 두 가지 유형의 시각자료를 연계하는 것에 성공함으로써 다양한 관점에서 깊이 있게 이해하는 데 도움이 된다고 응답했다.

Fig. 11.A typical inscription representing atoms and molecules by image and by matter of macroscopic world within a page.

Fig. 12.The semiotic model for interpreting processes of the inscription in Fig 11.

반면에 번역6 과정(tl6)에서 어려움을 겪은 8명(상2,중3,하3)의 학생들은 두 가지 유형의 시각자료를 대응하기보다는 여러 가지 유형의 시각자료 중에서 이해가 잘 되는 시각자료만을 선택하여 보거나, 여러 가지 유형의 원자 모형으로 나타낸 것이 목표 개념을 이해하는데 오히려 혼란스럽다고 대답했다.

중상위권 학생들은 대체로 여러 가지 원자 모형 표현에서 공유 속성들을 잘 분별하고 대응함으로써 목표 개념을 깊이 있게 이해할 수 있었다. 그러나 하위권 학생들은 원자 모형의 형태와 표현 방식과 같은 비공유 특징에 주목하여 두 시각자료간 연계 과정의 수행을 실패함으로써 다른 방식의 원자 모형이 같은 내용을 표현한다는 것을 파악하지 못하고 오히려 목표 개념의 이해에서 혼동을 겪는 경향이 있다.1,2 따라서 교사는 학생들의 인지적 수준에 따라 더 쉽게 이해할 수 있는 유형의 원자 모형을 파악하여 원자 개념에 대한 이해를 높여줄 필요가 있다. 또한, 다양한 원자 모형을 표현한 시각자료를 활용할 때에는 원자 모형과 원자간의 공유 속성과 비공유 속성을 구별하여 강조할 필요가 있다.

시각자료의 해석 순서

선행연구에서는 학생에 따라 시각자료와 글 중에서 먼저 보는 것이 다를 것이므로 시각자료 해석의 순서가 일정하지 않을 것으로 예측했다.1,13 그러나 면담 결과, 학생들은 Fig. 13에 제시된 순서대로 시각자료를 읽으며 해석하는 것을 알 수 있었다. 즉, 학생들은 시각자료를 먼저 보고 읽으며, 글을 읽은 후 시각자료와 글을 연결하고, 다른 시각자료와 비교를 하면서 목표 개념에 도달하는 경향이 있다.

Fig. 13.The processes of interpreting the chemical inscriptions.

면담에 응한 12명의 학생들은 모두 원자 개념을 표상한 4가지 유형의 시각자료와 관련 내용에 관한 글이 교과서에 동시에 제시되었을 때, 시각자료를 먼저 본 후에 교과서 본문의 글을 읽고 그 후 시각자료와 글을 연결하여 목표 개념을 이해하는 경향을 보였다.

이 결과는 12명의 학생들을 면담한 결과이므로 일반화하기는 어렵지만, 표집 대상을 임의로 선정했으며, 성취도를 고르게 하여 표집한 후 심층 면담한 결과이므로 시사점을 찾을 수 있다. 학생들은 시각자료를 가장 먼저 보고 주의를 집중시키므로 시각자료의 적절한 사용은 흥미와 학습 동기와 같은 정의적 측면에서 일차적인 효과를 기대할 수 있을 것이며, 학생들이 글만 제시된 경우 과학 개념을 이해하는 데 어려움을 겪으므로 인지적 측면에서 개념의 이해도를 증가시키기 위한 방안으로 시각자료의 중요성이 더욱 부각된다.

 

결론 및 제언

이 연구에서는 면담을 통해 원자 및 분자 개념을 표상한 시각자료에 대한 학생들의 이해 및 해석 과정을 기호학적 관점에서 조사했다. 분석 결과 학생들은 시각자료의 의미를 파악하는 구조화 과정은 성공적으로 수행하는 편이지만, 목표 개념에 도달하거나 시각자료 간 대응에 해당하는 번역 과정에서는 대체로 어려움을 겪는 경향을 나타냈다. 또한, 교과서의 내용을 파악할 때 학생들이 시각자료를 먼저 보고 글과 연결하여 이해하는 경향이 있었다. 따라서 과학 개념의 이해에 도달하기 위해 시각자료와 글을 연결하는 번역 과정이 필수적이며, 글만 제시된 경우 과학 개념을 이해하는 데 어려움을 겪는 것으로 조사되어 시각자료의 중요성을 확인할 수 있었다.

이 연구에서 분석한 학생들의 시각자료 해석 과정 중 구조화 과정은 원자 및 분자 개념의 학습에서 시각자료에 제시된 표현 방법을 알고 그 의미를 파악하는 과정으로써 목표 개념의 이해를 위한 출발점이 된다. 따라서 학생들이 구조화 과정을 제대로 수행하지 못하면 목표 개념에 도달하는 것이 어렵다는 것을 고려하여, 교사는 구조화 과정을 지도할 때 질문을 통해 해석 과정을 확인하고 즉각적인 피드백을 제공할 필요가 있다.

학생들은 원자 및 분자 개념을 이미지로 표상한 시각자료에 대한 해석체를 토대로 목표 개념을 이해하는 번역1 과정에서 원자 개념과 원소의 개념을 혼동하고, 분자 개념과 화합물의 개념을 혼동함으로써 원자와 분자 개념을 정확하게 인식하고 구별하는 작업을 어려워했다. 또한 이 과정에서 학생들은 시각자료에 제시된 원자 모형을 원자의 실재하는 모습이라고 파악하거나, 원자 모형의 피상적 특징으로 인해 오개념을 생성할 수 있다. 이러한 오개념을 예방하기 위한 방안으로 원자나 분자를 표현하는 입자 모형이 원자나 분자의 실재하는 모습의 재현이 아니라 사고 활동을 촉진하기 위한 도구로써의 정신 모형(mental model)이라는 것을 강조하고,6 원자 모형 및 분자 모형의 특징과 제한점을 교과서에 명시적으로 기술하는 것을 제안할 수 있다.

한편, 사물을 이용하여 원자 및 분자 개념을 표상한 시각자료에 대한 해석체를 토대로 목표개념을 이해하는 번역3 과정에서 학생들은 화학반응이 일어나는 과정에서 반응 물질의 원자 모형과 생성 물질의 원자 모형을 서로 다르게 표현함으로써 화학 반응을 원자의 재배열의 관점에서 이해하고 표현하는 것에 어려움을 겪었다. 따라서 화학 반응이란 원자가 생성되거나 소멸되는 것이 아니라 물질을 구성하는 원자가 재배열하는 것이라는 개념11,12을 다양한 화학 반응에 실제로 적용할 수 있도록 여러 가지 예시를 통해 충분하게 설명할 필요가 있다.

서로 다른 유형의 시각자료를 대응하는 번역6 과정에서는 시각자료간의 공유 속성을 사용하여 목표 개념에 대해 폭넓은 이해를 도모하기보다는 원자 모형 간의 비공유 속성으로 인해 교과서 저자의 의도와는 다른 방향으로 이해하거나 혼동을 경험하는 경우도 있었다. 다른 유형의 시각자료를 대응하는 과정이 성공적으로 이뤄지기 위해서는 학생들이 시각자료를 구성하는 요소인 기호의 의미와 기능에 대해 이해하도록27 교사가 안내자 역할을 충실히 해야 할 것이다.

이 연구에서는 기호학적 분석틀을 이용하여 학생들의 시각자료 해석 과정을 구분함으로써 해석 과정의 단계에 따라 학생들의 이해 내용을 체계적으로 분석했다. 이를 통해 원자 및 분자 개념에 대한 학생들의 학습 결과 뿐 아니라 구체적인 학습 과정에도 관심을 기울임으로써 학생들이 어려움을 겪는 해석 과정과 개념의 내용을 알아볼 수 있었으며, 학생들의 사고 과정에 적합한 교수-학습 방안을 탐색할 수 있다는 점에 본 연구의 의의가 있다. 또한, 기호학적 분석틀을 활용한 연구 방법은 교육 현장에서 학생들이 교육과정의 의도에 맞게 시각자료를 해석하는지 알아보기 위해 해석 과정을 단계별로 점검할 때도 이용할 수도 있을 것이다.

“이 논문은 2006년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국과학재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. R01-2006-000-10675-0).”

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