npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
Qrcode

Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 456-466

Published online June 30, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.456

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

An Analysis of Student-generated Drawings in Terms of the Types of Scientific Explanations and Levels of Representations

Jina Chang1, Joonhyeong Park2*, Jisun Park3

1Seoul Seongil Elementary School, Seoul 05396, Korea
2Natural Sciences and Science Education, National Institute of Education, Nanyang Technological University, Singapore 637616, Singapore
3Department of Elementary Education, Ewha Womans University, Seoul 03760, Korea

Correspondence to:*E-mail: joonhyeong.park@nie.edu.sg

Received: March 14, 2022; Revised: April 6, 2022; Accepted: April 25, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

This study examined the features of student-generated drawings to foster their understanding of sound transmission. In this regard, eighteen student-generated drawings constructed by the fifth and sixth elementary science gifted students were collected and analyzed. The students were asked to draw and explain sound transmission between a tuning fork and our ears. The researchers classified the types of student-generated drawings by focusing on `air particles' and `their interactions', which are invisible, and key ideas of sound transmissions, and then analyzed the features of the students' conceptions, as visually expressed in each type. Consequently, most students focused only on the collisions among air particles, the medium transmitting sound, without conceptualizing the particle vibrations, i.e., the back-and-forth movements of particles. For example, some students drew that the particles themselves vibrate, or the particles literally transmit vibrations as if handing over an object. Finally, the educational implications were discussed in terms of alternative conceptions for elementary and middle school students and how to teach sound transmission.

Keywords: Sound Transmission, Elementary Science Gifted Students, Student-generated Drawings, Explanation, Representation

본 연구의 목적은 소리의 전달 과정에 대한 학생들의 개념적 이해를 돕기 위해, 영재 학생들이 구성한 과학적 그림의 특징을 살펴보는 것이다. 이를 위해 초등학교 5 – 6학년 과학영재 수업에 참여하는 18명의 학생들이 구성한 과학적 그림을 수집하고 분석하였다. 학생들은 소리굽쇠의 소리가 우리의 귀까지 전달되는 과정을 그림으로 설명하였다. 눈에 보이지는 않지만 소리 전달 과정의 핵심 요인인 `공기입자'와 `공기입자 간의 상호작용'을 중심으로, 학생들의 그림들을 유형화하고 각 그림 유형에서 시각적으로 표현된 소리 전달의 개념적 특징을 분석하였다. 분석 결과, 공기입자 간의 충돌은 나타내었지만 충돌로 인해 공기입자가 소리의 전파방향으로 앞뒤로 진동하는 것을 개념화하지 못한 유형이 가장 많았다. 예를 들어, 공기입자의 진동을 입자 자체의 떨림으로 표현하거나, 공기입자들이 말 그대로 물건 건네듯 진동을 전달하는 모습을 표현한 사례도 발견하였다. 끝으로 초등학교와 중학교 학생들이 가진 소리에 대한 대안 개념과 이를 어떻게 지도할 것인가에 대한 교육적 시사점을 논하였다.

Keywords: 소리 전달 과정, 초등 과학영재, 과학적 그림, 설명, 표상

역학적 파동의 전파 개념은 파동 현상을 이해하기 위한 기초적인 개념으로서, 초등학교와 중·고등학교 물리교육에서 교육과정 및 학습자의 수준에 따라 연계성 있게 다루어진다. 소리의 전달에 대한 개념은 학생들이 일상적으로 경험하는 대표적인 파동의 전파 현상 중 하나이지만, 이에 대한 설명 방식은 학교급 및 학년에 따라 다양한 수준으로 구성된다[1]. 소리의 전달에 대한 개념 이해 및 설명 수준은 공기입자와 같은 매질, 입자의 충돌과 진동, 파동, 파장과 같은 핵심 개념 및 개념들 간의 관계에 대해 얼마나 정교하게 설명하느냐에 따라 달라질 수 있으며, 이에 대한 개념적 연계와 학생의 이해를 살펴볼 필요가 있다[2].

특히 ‘매질의 역할’에 대한 이해는 파동의 전파 과정을 설명하기 위한 핵심 요인이다[3-5]. 공기 중의 소리 전달 과정을 설명하는 경우, 매질인 공기입자들이 어떠한 상호작용을 통해 소리를 전달시키는지, 입자적 관점에서 메커니즘을 이해해야 한다[2]. 하지만 많은 학생들이 소리가 ‘공기를 통해’ 전달된다고 압축적으로 설명할 뿐, 공기입자의 구체적인 역할에 대해서는 잘 설명하지 못하는 경우가 많다고 보고되었다[3-5]. 이는 눈에 보이지 않는 공기입자의 움직임을 구체적으로 이해하고, 이를 파동의 전파라는 개념으로 추상화하는 과정이 쉽지 않기 때문이다. 파동의 전파 과정에서 매질의 역할을 이해하기 위해서는 언어적으로 그 과정을 표현함과 동시에 시각적 자원(visual resources)을 통해 구체화할 수 있도록 지원할 필요가 있다.

이러한 맥락에서 본 연구는 소리 전달 과정에 대한 이해를 돕기 위한 방안으로 과학적 그림의 활용에 주목하였다. 과학적 그림은 인식론적 목적에 따라 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 물리 현상에 대한 인과적(causal) 설명을 보여주기 위해 사용될 수도 있고, 물리 현상을 자세하게 나타내는 기술적(descriptive) 설명에 사용될 수도 있다[6]. 또한 시각적 기호나 상징들을 조직화하여 물리 개념을 표현하는데 사용되거나[7] 물리 문제를 해결하기 위해 계획을 세우는 단계에서 사용되기도 한다[8]. 과학적 그림의 다양한 인식론적 목적 중, 본 연구에서는 과학적 실행(scientific practice)에서 강조되는 과학적 설명 구성에 초점을 두었다. 즉, 본 연구에서의 과학적 그림이란 교수학습 상황에서 학생들이 과학적 현상에 대한 설명을 구성하기 위해 시각적인 방식으로 나타낸 표상을 의미한다. 과학적 그림을 학생들이 시각적 표상을 이용하여 과학 현상을 기술하거나 현상에 대한 메커니즘을 해석하고 나타낸 과학적 설명의 하나로 보고[9], 이를 통해 학생의 소리 전달 과정에 대한 이해를 살펴보고자 하였다.

학생들이 그림을 통해 과학적 설명을 구성하는 활동은 교수학습 측면에서 여러 장점이 있다[10]. 먼저, 과학 그리기 활동은 학생들의 과학적 추론을 촉진시킨다. 과학 개념은 언어적 의미로만 구성되지 않으므로, 언어적 상호작용만을 통해 현상을 설명하여 추론을 이끄는 것은 한계가 있다[11]. 이미지, 다이어그램, 그래프 등과 같은 시각적 표상 또한 과학적 개념이나 과학적 모델 형성의 중요한 부분으로서[10], 학생들이 과학적 설명을 시각적으로 구성하면서 대상의 크기나 위치, 방향 및 공간적 요소에 대한 구체적인 사고를 이끄는 시각적 추론(visual reasoning)을 촉진할 수 있다[12]. 나아가 시각적 표상들을 구조적으로 연결하기 위해, 개념들의 관계를 말로 설명하는 과정에서 언어적 추론 또한 구체화된다[11]. 또한 물체의 이동과 같이 현상의 원인과 결과를 시각화하기 위해 여러 몸짓을 이용하는 과정에서 개념이 발달되기도 한다[13]. 이처럼 과학 그리기 활동은 학생들이 현상에 대한 과학적 의미를 구체적으로 추론해 보도록 한다[14].

더불어 과학 그리기 활동은 과학적 의사소통과 참여를 촉진할 수 있다. 과학자들이 자신의 생각을 다른 과학자나 대중들에게 명확히 전달하기 위해 시각적 표상을 구성하듯[15], 학생들도 자신이 가진 개념을 그림으로 표현하면서 생각을 더 명확하게 하고 교사나 다른 학생들과 소통할 기회를 갖는다[9]. 또한 과학적 설명을 구성하면서 학습자들은 새로운 정보와 기존에 가지고 있던 지식을 조직화하고[16], 이 과정에서 자신의 설명에 대한 책임감을 가지고 능동적으로 참여하게 된다[17]. 더불어 과학적 그림은 언어보다 문법적 규칙이 덜 엄격하기 때문에[18], 상대적으로 자유롭게 자신의 생각을 구체화하여 나타낼 수 있다. 이처럼 과학 그리기 활동은 그림을 매개로 하여, 시각적이고 언어적인 상호작용과 참여를 촉진할 수 있다[19].

과학 그리기 활동의 이러한 교육적 기능과 역할을 활용하여, 본 연구에서는 소리의 전달 과정에 대해 학생들이 구성한 설명의 개념적 특징을 살펴보고자 한다. 학생들의 그림에서 핵심 요인들 간의 인과적 관계나 추상적 개념들을 어떻게 표현했는가에 따라, 학생들이 구성한 설명이나 개념의 수준을 판단할 수 있다[6, 12]. 같은 맥락에서 본 연구에서는 소리의 전달 과정에 대하여 학생들이 구성한 과학적 그림들이 소리의 전달 과정과 관련된 핵심 요인 및 이들 간의 관계를 드러내며, 이는 학생들이 지닌 개념 이해의 특징을 보여주는 창(窓)이 될 수 있다고 가정하였다[20]. 이에 본 연구에서는 ‘소리의 전달 과정’에 대해 초등 과학영재 학생들이 구성한 과학적 그림의 설명 유형 및 표상 수준과 특징을 분석하고, 이를 통해 소리의 전달 과정에 대한 학생들의 개념적 이해를 돕기 위한 시사점을 얻고자 하였다. 특히 5 - 6학년 초등 과학영재 학생들을 대상으로 하여 초등학교와 중학교 사이의 학생들이 지닐 수 있는 대안 개념의 특징을 살펴보고 교육적 시사를 얻고자 하였다.

1. 연구 대상 및 자료 수집

이 연구에서는 소리의 전달 과정에 대한 과학적 그림에서 나타나는 초등 영재 학생들의 설명 수준과 특징을 파악하기 위해, 서울 소재 대학 부설 영재교육원에서 5 - 6학년 과학영재 학생들을 대상으로 수업을 진행하고, 참여 학생들의 과학적 그림을 수집하였다. 참여 학생들은 해당 영재교육원의 선발 과정을 거쳐 과학영재로 뽑힌 18명의 학생들로서, 과학에 대한 이해와 흥미가 일반 학생들보다 높은 편에 속하였다. 참여 교사는 본 연구의 1저자로서, 자료 수집 당시 경력 13년차 초등 교사이자 물리 교육 박사학위 소지자였으며, 수업 전체 흐름을 설계하고 진행하는 역할을 하였다. 학생들은 소리의 전달 과정을 설명하는 과학 그리기 활동에 Fig. 1과 같이 참여하였으며, 연구진은 학생이 구성한 그림(student-generated drawing) 18편을 수집하였다. 본 연구의 구체적인 자료 수집 과정은 다음과 같다.

Figure 1. The process of data collection.

Figure 1에서와 같이, 학생들은 ‘소리의 전달’ 과정에 대한 간단한 실험을 수행한 후 소리가 어떻게 전달되는지 토의하였다. 학생들은 ‘소리가 나는 소리굽쇠를 물에 가까이 했을 때의 변화를 관찰’하는 실험을 수행하였는데, 이 실험은 소리가 나는 물체에는 떨림이 있다는 것을 탐구하기 위해 초등학교 3학년 과학 교육과정에서 이미 해본 활동이었다. 본 영재 수업에서는 정규 교육과정에 제시된 활동을 심화하여, 관찰한 소리굽쇠의 진동이 우리의 귀까지 전달되는 과정을 ‘입자적 관점’에서 설명하고 이를 과학적 그림으로 구성해보는 활동으로 재구성하였다.

소리굽쇠 실험에 대한 학생들의 과학적 설명 구성을 촉진하기 위하여, 소리굽쇠의 떨림이 공기를 통해 어떻게 전달되는지 입자적 관점에서 해석해보도록 독려하였다. 가령, “소리굽쇠와 귀 사이에 있는 공기입자들은 어떻게 움직일까요?”와 같이 진동하는 소리굽쇠에 의해 주변의 공기입자들이 어떻게 움직일지를 생각해보도록 발문하였다. 또한 “라디오 스피커 앞에 놓인 초는 왜 흔들릴까요?”와 같이 비슷한 상황을 함께 제시하여 공기입자의 움직임을 다양하게 생각해보도록 하였다. 특히 참여 학생들은 이전의 영재 수업에서 기압과 관련한 실험을 통해 기체 입자들의 움직임에 대해 탐구한 경험이 있었기 때문에, 여러 사전 경험과 지식들을 토대로 소리굽쇠의 떨림이 공기입자들을 진동시키면서 소리가 전달됨을 논의하였다.

이러한 토의를 토대로, 학생들은 “소리굽쇠를 쳤을 때 소리가 우리의 귀에 들리게 되는 과정”을 총 4칸으로 나눠진 박스(가로 2칸, 세로 2칸)에 그림으로 표현하였다. 연구진은 그림을 4칸으로 제시함으로써, 학생들이 시간의 흐름이나 단계에 따른 공기입자들의 움직임과 소리의 전달 과정을 구체화하여 생각해볼 수 있도록 하였다. 또한 과학적 그림을 구성하는 과정에서 그림에 담긴 의미를 좀 더 명확히 설명하기 위해, 기호나 범례, 간략한 언어적 설명들을 추가하는 것을 허용하였다. 나아가 과학 현상을 설명하는 과학적 그림의 인식론적 목적을 고려한 교수학습 전략으로서, 학생들에게 과학적 현상의 이유로서 어떻게 소리가 전달되는지를 설명하는 과정이 그림에 표현되어야 함을 강조하였다[9].

이렇게 구성된 4칸의 그림들은 서로 연속적인 의미를 갖기 때문에, 4칸의 그림을 분리하여 자료를 수집하고 분석하기 보다는 4칸의 그림들을 ‘소리의 전달 과정’에 대한 하나의 과학적 설명으로서 간주하고, 4칸의 그림들을 하나의 분석 자료로서 수집하였다. 또한 각 그림들과 함께 추가된 짧은 설명이나 범례와 같은 언어적 표상들은 그림의 시각적 의미를 구체적이고 명료하게 나타내기 위한 추가 정보로서, 분석 대상에 함께 포함시켰다.

2. 자료 분석

수집된 과학적 그림들을 분석하기 위하여, 학생들의 설명적 그림(explanatory diagrams)에서 나타나는 과학적 설명 유형과 표상 수준을 분석하는 Park et al.의 분석틀을 활용하였다[19]. Park et al.은 과학적 그림에 제시된 시각적 표상 수준에 따라 물리 현상을 설명하는 과학적 그림에서의 설명 수준이 달라진다고 주장하였다(Fig. 2 참고).

Figure 2. Three levels of pictorial representation within the types of explanation [6].

Park et al.의 분석틀에 의하면, 가시적인 차원에서 ‘감각적(sensory) 수준’의 표상을 중심으로 표현한 그림들은 현상을 기술하는 수준에서의 ‘기술적 설명’이 구성된다. 반면, 학생들의 그림이 현상의 메커니즘이나 원리에 대한 설명을 포함하는 ‘인과적 설명’으로 발전하기 위해서는 입자와 같이 ‘눈에 보이지 않는 물질(unseen-substance) 수준’의 표상과 입자들에 작용하는 힘이나 상호작용과 같이 ‘눈에 보이지 않는 비물질(unseen-non substance) 수준’의 표상을 서로 긴밀하게 연결지어 설명을 구성해야 한다고 보았다.

특히 이 분석틀은 물리 현상에 대한 과학적 그림을 활용하는 ‘물리 교수학습 상황’에 특화되었다는 점에서 본 연구의 목적 및 맥락과도 부합되기 때문에, Table 2와 같이 구체적인 분석 범주와 관점을 설정하여 분석틀로 활용하였다. 즉, Fig. 2에 제시된 분석틀의 관점에 따라 과학적 그림에서 구성된 설명의 수준을 기술적 설명과 인과적 설명으로 분류하고, 시각적 표상의 수준을 감각적, 보이지 않는 물질, 보이지 않는 비물질 수준으로 나누어 분석하였다.

Table 2 . Types of explanation and levels of representation of student-generated drawings.

Types of explanationNumber of drawingsLevels of representationNumber of drawings
Descriptive explanation0Sensory18
Unseen-substance18
Causal explanation18Unseen-nonsubstance18


또한 본 연구에서는 학생들의 과학적 그림이 같은 수준일지라도, 소리 전달 과정을 구체적인 그림으로 표현하는 방식이나 설명하는 관점이 다르다는 점에 주목하였다. 공기입자의 움직임을 서로 다른 기호로 표현하여 ‘눈에 보이지 않는 물질 수준’과 ‘눈에 보이지 않는 비물질 수준’을 모두를 표현하더라도 세부적인 표현 대상이 다른 경우가 있었다. 예를 들어, 소리의 전달 과정에서 공기입자들 간의 충돌에만 초점을 맞추어 그린 경우도 있는 반면, 입자들의 진동만 그리거나 입자의 충돌과 진동을 동시에 그린 경우도 있었다. 이처럼 “소리굽쇠의 떨림이 공기입자들을 진동시키면서 소리가 전달된다.”는 설명이 시각적으로 표현되는 과정에서 학생들의 다양한 생각들을 드러내고 있음에 주목하였다. 이러한 생각들을 드러내기 위하여, 학생들의 과학적 그림 사례들을 매질인 ‘공기입자의 표현’과 ‘소리 전달 과정의 입자간 상호작용’으로 나누어, 귀납적으로 각각 범주화하고, 범주화된 그림 유형에 제시된 표상들이 ‘소리의 전달’ 과정에 대한 설명을 어떻게 구성하고 있는지 Table 1에 제시된 표상 수준에 따라 분석하였다.

Table 1 . Analysis framework of this study constructed based on Park et al. [6].

CategoriesDescriptions
ObjectsStudent-generated drawingVisual representation on sound transmission process
Additional information on drawingSymbols, legends, additional linguistic explanations represented to explain
Types of explanationDescriptive explanationAn explanation that focuses on describing the results of an observed scientific phenomenon or experiment.
Causal explanationAn explanation that focuses on revealing the principles or mechanisms underlying scientific phenomena and phenomena.
Levels of representationSensoryA level that expresses only objects that can be observed sensibly
Unseen-substanceA level of representation of invisible substances (e.g. molecules, air particles)
Unseen-nonsubstanceA level of representation of invisible non-substance (e.g. forces acting on particles, interactions between substances, etc.)


끝으로 분석의 신뢰도와 타당도를 높이기 위해, 연구진 2인이 전체 자료들의 33%가 되는 6개의 그림에 대해 독립적으로 분석을 수행하고, 교차 검토를 수행하였다. 즉, 6개의 그림에 대하여 설명 및 표상 수준을 분석하고, 그림들의 유형을 귀납적으로 범주화하는 과정에서 두 전문가 간의 의견이 불일치한 부분에 대해서는 추가적인 자료들로 다시 점검하면서 분석 기준을 명확히 하는 과정을 반복하였으며, 최종적으로 산출된 전문가 간 일치율은 91%였다. 이렇게 분석의 신뢰도와 타당도를 확보한 후, 연구자 1인이 나머지 그림들을 분석하였다.

1. 초등 과학영재 학생이 구성한 과학적 그림의 설명 및 표상 수준

과학영재 학생들이 ‘소리의 전달’에 대해 구성한 과학적 그림의 설명 및 표상 수준을 분석한 결과는 다음과 같다. Table 2에서 나타나듯이, 모든 참여 학생들이 감각적 수준, 보이지 않는 물질/비물질 수준의 표상을 사용하여 인과적 설명을 담은 과학적 그림을 구성하였다. 다시 말해, 18개의 과학적 그림 모두 소리의 전달 현상을 기술하는 것을 넘어서서, 나름의 이유를 들어 소리 전달 과정을 설명하는 ‘인과적 설명’을 구성하였으며, 모두에서 감각적 수준의 표상 뿐 아니라 보이지 않는 물질/비물질 수준의 표상을 함께 사용하고 있었다.

하지만 같은 수준의 과학적 그림일지라도, 소리의 전달 과정을 설명하는 관점과 이를 표현한 표상 방식은 그림마다 달랐다. 즉, 소리의 전달 과정을 3가지의 수준에서 필요한 개념을 얼마만큼 구체적으로 표현하였는가에 따라 정교성의 정도가 다르게 나타났다. 이를 고려하여, 다음 절에서는 표상 수준에 따라 학생들이 구성한 과학적 그림의 유형과 특징을 분석하고, 특히 ‘매질인 공기입자’와 소리 전달 과정에서 나타나는 ‘입자간의 상호작용’에 대한 설명을 어떻게 구성하였는지 구체적으로 살펴보았다.

2. 소리 전달 과정을 설명한 과학적 그림의 유형 및 특징

학생들은 소리의 전달 과정을 설명하기 위하여 감각적, 보이지 않는 물질/비물질 수준 모두를 사용하였다. 학생들이 인과적 설명을 더 정교하게 구성할 수 있도록 도와주기 위해서는 소리 전달 과정의 핵심인 보이지 않는 물질/비물질 수준에 대한 학생들의 개념 형성을 파악하는 것이 중요하다. 따라서 연구 결과에서는 ‘보이지 않는 물질/비물질 수준’을 중심으로[6] 매질인 ‘공기입자’와 ‘매질을 통한 소리 전달 과정’을 표현한 그림의 유형과 특징을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) 공기입자에 대한 표현 유형과 특징

학생들이 표현한 공기입자 그림을 분석한 결과, 공기입자가 지닌 여러 속성들을 조금씩 다른 방식으로 표현되고 있었다. 학생들이 구성한 그림들은 Table 4와 같이 입자의 모양(A), 이동(B), 진동(C), 이동과 진동을 동시에 나타낸 경우(D)로 나누었다. Table 3에서는 그림 유형별 특징을 잘 보여주기 위하여, 각 그림 유형에서의 공통적인 특징을 가장 잘 보여주는 그림을 대표적인 사례로서 제시하였다.

Table 3 . Types of student-generated drawings about air particles as mediums of sound transmission.

FeaturesTypes of student-generated drawings about air particlesNumbers of drawings
Representative caseCharacteristics of each type
A. Shape of particlesA-1Particles are expressed as circle-shaped lines.18
A-2Particles are represented by small dots.1
A-3Two trident-shaped symbols are attached to both sides of the circle, indicating that it means ‘hand of air particles’.1
B. Movement of particlesB-1The direction of movement is expressed by attaching a straight arrow to the circle. The shape of the tip of the arrow is expressed slightly differently.9
B-2The direction of movement is expressed by attaching a zigzag arrow to the circle.1
B-3The direction of movement of particles is expressed by attaching a wavy line to the circle opposite to the direction of movement.2
B-4The direction of movement is expressed by drawing a straight line in the opposite direction to the direction of movement at a position slightly away from the circle.2
B-5Several light circles are overlapped, and the direction of movement is expressed with a dark circle and a straight arrow at the end.1
C. Vibration of particlesC-1Vibration is expressed as a curve around the circle. Vibration intensity is expressed by the number of curves.1
C-2The vibration of particles is expressed through wavy lines on the top, bottom, left, and right around the circle.1
D. Movement and vibration of particlesD-1Vibration is expressed as a curve surrounding the circle. The direction of movement is expressed by drawing a straight line opposite to the direction of movement at a distance from the circle.1
D-2Vibration is expressed with multiple wavy lines around the circle. The direction of movement is expressed by attaching a straight arrow to the circle.1

※ If different drawing types are used at the same time, counting is duplicated.


Table 4 . Types of student-generated drawings about interactions among air particles as mediums of sound transmission.

FeaturesTypes of student-generated drawings about interactions among air particlesNumbers of drawings
E. Interactions between particlesE-1The process by which individual particles propagate collisions7
E-2The process by which individual particles propagate vibrations by collisions5
E-3The process by which vibrations of individual particles propagate4
E-4The process by which particles collectively line up to propagate collisions1
E-5The process by which vibrations of particles propagate collectively and simultaneously in all directions1
※ columns (3) and (4) were excluded from analysis as irrelevant scenes were drawn


먼저, 공기입자의 모양을 나타냄에 있어, 18개의 그림 모두가 공기입자를 원(A-1 유형)으로 표현하였다. 다만, 2명의 학생은 강조하고자 하는 상황에 따라, A-2와 A-3 유형을 A-1과 함께 표현하였다. 예를 들어, A-2 유형에서와 같이 소리가 전달되기 전의 실험 상황 전체를 나타낸 경우에는 공기입자를 확대하지 않고 작은 점으로 표현하였다. A-3 유형과 같이 공기입자를 의인화하여, 공기입자에 삼지창 모양의 ‘공기입자의 손’을 표현하기도 했다.

공기입자의 이동은 학생들의 그림에서 가장 다양한 방식으로 표현되었다. 가장 일반적인 방식은 B-1 유형으로서, 18명 중 9명의 학생들이 원에 직선 화살표를 그려 입자의 이동방향을 표현하였다. B-2 유형은 B-1 유형과 비슷하지만, 지그재그 모양의 화살표를 이용하여 공기입자의 자유로운 움직임을 강조하였으며, B-3 유형과 B-4 유형은 이동방향의 반대쪽에 물결선 또는 직선을 그려 이동방향을 표현하였다. 끝으로 B-5 유형은 여러 중첩된 원을 연하게 그려 입자가 이동하는 경로를 표현하였다.

한편, 입자의 진동을 나타낸 학생들도 4명 있었는데, C-1 유형과 C-2 유형의 그림은 원 주변의 곡선이나 물결선을 통해 입자가 진동하는 모습을 표현하였다. 한편, D-1 유형과 D-2 유형에서는 B유형에서의 입자 이동 모습과, C유형에서의 입자 진동 모습을 혼합하여 공기입자의 이동과 진동을 동시에 나타내었다. 하지만 C와 D 유형에서 학생들이 그린 입자 자체의 진동은 소리의 전달 과정에서 공기의 압축과 팽창에 의해 공기입자가 평행하게 진동하는 것을 나타내는 것이 아니었다. C와 D 유형은 마치 고체 매질을 통해 진동이 전달될 때처럼 공기입자 자체의 떨림으로 해석하였으며, 이는 초등학생들이 “소리굽쇠의 진동이 공기를 통해 전달된다.”는 설명에서 공기입자가 진동하는 방식을 여러 방식으로 해석하고 있음을 보여준다. 이에 대한 학생들의 해석은 입자들 간의 상호작용을 다룬 다음 장에서 자세히 논의하고자 한다.

위와 같이 초등 과학영재 학생들이 구성한 여러 유형의 입자 그림들은 기존 교과서에서 관습적으로 사용되는 기호들과 함께 논의될 수 있다. Han & Roth(2006)는 한국 교과서의 화학 영역에서 입자들이 어떻게 표현되고 있는지 분석하였는데, 입자를 표현하는 가장 일반적인 방식은 원이었으며, 입자의 움직임을 표현하는 기호를 Fig. 3과 같이 정리하고 b와 c와 같은 표현 방식이 가장 자주 사용되고 있다고 보고하였다.

Figure 3. (Color online) Conventional marks representing the movement of molecules in Korean textbooks [21].

Han & Roth(2006)가 보고했던 교과서의 입자 표현 방식들과 본 연구에서 학생들이 표현한 방식을 비교하면, 학생 그림에는 Table 3의 B-1, B-2 유형과 같이 입자의 방향을 나타내는 화살표가 더 다양한 방식으로 활용되었다. 또한 학생들은 D-1, D-2 유형과 같이 입자의 이동이나 진동과 같은 여러 속성들을 기호로 중첩하여 나타내는 특징도 보였다.

2) 소리 전달 과정의 입자간 상호 작용을 표현한 유형과 특징

초등 영재 학생들이 표현한 소리 전달 과정에서 공기입자들 간의 상호작용이 담긴 그림들을 분석하였다. 학생들은 소리의 전달 과정에서 공기입자들이 자유롭게 개별적으로 이동하거나 열을 맞추어 이동하는 것으로 표현하거나, 공기입자들이 충돌 또는 진동하는 것으로 표현하고 있었다. 이렇게 표현된 학생들의 소리 전달 과정 설명에서 대안개념이 혼재되어 있음을 볼 수 있었다. 학생들의 그림들은 Table 4와 같이 5가지 유형으로 도출되었다. 각 유형의 특징을 잘 드러내기 위하여, 그림 유형에 해당하는 학생들의 대표적인 그림 사례를 함께 제시하였다.

E-1 유형은 개별 입자들이 자유롭게 움직이는 상황에서 소리가 입자들 간의 ‘충돌’을 통해 전달되는 과정을 표현한 것으로서, 7개의 그림이 이에 해당되었다. E-1 유형 그림에서는 소리의 떨림이 스피커 주변 공기입자를 움직이게 하고(장면(1)), 공기입자가 그 다음 공기입자들과 순차적으로 부딪히면서(장면(2)) 소리가 전달된다고 설명한다. 하지만 공기입자가 다음 공기입자와 부딪힌 후에 다시 반대쪽으로 되튀기면서 진동하는 과정은 다루지 않고 있다. 즉, 이 유형의 학생들은 소리굽쇠의 떨림이 전달되는 과정을 시작된 입자들의 충돌이나 충격에만 초점을 두었으며, 전달 과정에서는 공기입자의 진동에 대해 설명하지 않았다.

E-2 유형은 개별 입자들이 자유롭게 움직이는 상황에서 입자들의 진동이 ‘충돌’을 통해 전달됨을 표현한 그림으로서 6개의 그림이 E-2 유형에 해당되었다. 하지만 E-2 유형에서 표현된 ‘진동’에는 C-1, C-2 유형에서 언급했던 대안개념이 동일하게 등장한다. 즉, 공기의 압축과 팽창에 의해 공기입자가 소리의 전달 방향을 향해 앞뒤로 진동하는 것과 다르게, E-2 그림에서는 공기입자들이 서로 부딪히는 순간의 충격에 의해 입자 자체가 떨리는 것으로 표현하고 있다(장면(2), 장면(3)). 이러한 이해는 학생들이 학습 이전에 가지고 있던 개념이 과학적 개념으로 발전하는 과정에서 발생하는 대안개념의 하나로 해석될 수 있겠다.

E-3 유형은 개별 입자들이 자유롭게 움직이는 상황에서 입자들의 ‘진동’ 자체가 퍼져 나가는 것을 표현한 것으로서, 4개의 그림이 해당되었다. E-3 유형 사례에서는 입자의 진동과 이동을 동시에 표현한 D-1 유형의 기호를 사용하고 있으며, 입자를 둘러싼 곡선의 개수를 통해 진동의 세기가 달라짐을 표현하였다. E-3 사례를 보면, 소리굽쇠와 귀 사이에 공기입자들이 진동하면서 이동하는 모습을 표현하였으나 입자들 간의 충돌은 표현하지 않았다(장면(2)). 또한 공기입자의 모습을 확대한 장면(3)에서도 소리굽쇠의 떨림과 비슷하게 공기입자들의 모습을 표현한 것으로 보아, E-2 유형과 C-1, C-2 유형과 마찬가지로 공기입자 자체의 떨림이라는 대안개념으로 볼 수 있다.

한편, 공기입자의 ‘진동’에 초점을 맞춘 E-3 유형으로 분류된 그림들 중, 다른 3개의 그림과는 다른 특성을 보이는 예외적인 그림이 발견되기도 했다. Figure 4에 제시된 바와 같이, 이 그림에서는 ‘손’을 가지고 있는 공기입자들(Table 3의 A-3 유형)이 ‘진동’을 주고받는 모습을 의인화하여 나타내었으며, “진동을 공기입자끼리 전달한다.”는 설명을 함께 적었다. Figure 4에 제시된 장면(3)에서 학생은 공기입자를 의인화하고 진동을 사물처럼 여길 수 있으며, 공기입자가 진동을 말 그대로 물건을 건네듯이 “전달(deliver)”한다고 생각하였다. 이러한 사례는 “소리의 진동이 공기를 통해 전달된다.”라는 일반적인 설명이 초등학생들에게는 굉장히 다양하게 해석될 수 있음을 보여준다.

Figure 4. (Color online) Student-generated drawing delivering the vibrations by personifying air particles.

E-4 유형은 입자들이 일괄적으로 열을 맞추어 ‘충돌’을 전달하는 과정을 표현한 것으로서, 이에 해당되는 그림은 1개로 매우 적었다. 소리 전달 과정에서 입자들의 집단적인 상호작용을 나타낸 E-4 유형은, 공기의 압축과 팽창, 즉, 소한 부분과 밀한 부분에 대한 이해를 직관적으로 보여주었다고 볼 수 있다. 하지만 실제 공기입자들이 E-4 그림의 장면(3)과 같이 집단적으로 동일하게 움직이는 것은 아니기 때문에, 또 다른 대안개념을 발생시킬 가능성도 배제할 수 없을 것이다. 이 유형의 또 다른 특징은 E-1 유형에서와 마찬가지로 입자들이 충돌한 이후에 되튀기면서 진동하는 과정이 드러나지 않았고, 이에 결과적으로 소리굽쇠의 진동만을 표현했다는 점이다. 이러한 특징은 공기입자의 진동이 어떻게 발생하고, 각 세부적인 단계에서 어떻게 구체적으로 전파되는지 학생이 이해하는 것이 쉽지 않다는 것을 다시 한 번 보여준다.

E-5 유형은 입자의 ‘진동’이 동시에 사방으로 퍼져 나가는 과정을 표현한 것으로서, 이에 해당되는 그림은 단 1개였다. 이 그림에서는 전체적인 입자들의 움직임을 표현했음에도 불구하고, E-4 유형과는 다르게 공기입자들의 소한 부분과 밀한 부분이 시각적으로 드러나지 않았으며 E-2 유형과 같이 선형적으로 진동의 전파를 나타내었다. 또 다른 특징은, 입자의 진동을 입자 자체의 떨림으로 표현했던 E-2 및 E-3 유형과 다르게, 입자들의 집합적인 움직임을 통해 진동을 기호로 표현했다는 점이다. 즉, 이 유형의 그림은 공기입자들의 진동이 소리굽쇠 주변에 사방으로 전파되는 것을 표현하여 소리의 전달 과정을 표현하였지만, 진동이 구체적으로 어떻게 전파되는지에 대해서는 드러내지 않았다.

본 연구에서는 소리의 전달 과정에 대해 초등 과학영재 학생들이 구성한 과학적 그림의 설명 및 표상의 수준과 특징을 분석하였다. 분석 결과, 영재 학생들이 구성한 18편의 과학적 그림들은 모두 인과적 설명 수준까지 구성되었지만 학생들이 구성한 공기입자와 공기입자간의 상호작용을 표현한 그림의 특징은 세부적으로 다른 특징을 보이며 다양한 유형으로 나타났다. 먼저, 매질인 공기입자에 대한 ‘입자의 모양’, ‘입자의 이동’, ‘입자의 진동’, ‘입자의 이동과 진동’을 표현한 학생들의 그림에서 각각 3가지, 5가지, 2가지, 2가지 유형을 도출하였다. 한편, 소리 전달 과정의 입자간 상호작용에 대한 학생들의 그림은 5가지 유형으로 분석되었다. 각 유형의 그림 모두 공통적으로 입자들 간의 충돌을 통해 진동이 전달됨을 시각적으로 표현하였으나, ‘진동’의 전달 과정에 대한 설명에는 조금씩 다른 대안개념들이 포함되어 있었다.

이러한 결과는 초등학생들이 “소리의 진동이 매질을 통해 전달된다.”는 표현을 이해함에 있어서 다양한 해석을 할 수 있다는 점을 보여준다. 초등학교 3학년 과학 교과서에서는 소리의 전달 과정에서 “소리는 물질을 통해 전달됩니다. 우리 생활에서 들리는 대부분의 소리는 기체인 공기를 통해 전달되고 나무나 철과 같은 고체, 물과 같은 액체를 통해서도 전달됩니다(p. 101)”라고 기술하며[22], 교사용 지도서에서는 “물체의 떨림이 주변의 공기를 떨리게 하고, 그 공기의 떨림이 우리 귀까지 도달하여 소리가 전달되는 것입니다(p. 251).”라고 설명한다[23]. 한 중학교 1학년 과학 교과서에서는 “물체가 진동하면 물체의 주변에 있는 공기도 전달한다. 이 진동이 귀의 고막을 진동시키면 소리를 들을 수 있게 된다. 소리는 공기를 매질로 전달되는 파동이며, 음파라고도 한다(p. 235)”라고 설명하여 공기입자들과 공기입자들의 진동방향을 도식으로 나타냈다[24]. 이처럼 소리의 진동이 매질을 통해 전달된다는 설명은 일반적이지만, 동시에 압축적이고 추상적인 언어와 비교적 간단한 도식으로 기술되므로 학생들은 각자의 개념 수준에서 나름의 방식으로 그 과정에 대한 시각적 추론을 하고 있었다.

본 연구에서 초등 영재 학생들은 입자들이 충돌을 통해 소리가 전파하는 과정을 시각적으로 구체화함에 있어서, 다양한 해석 방식을 보여주었다. Table 4에서 보고된 5가지 유형의 그림들은 입자적 관점에서 소리의 전달 과정을 학습하기 이전에, 학생들이 가질 수 있는 대안개념 유형으로서 해석될 수 있다. 가령, 입자의 충돌만을 고려하고, 충돌에 의해 되튀기면서 좌우로 진동하는 과정까지 연결 짓지 못했던 E-1 유형이나, 입자 자체의 떨림이 전달되는 것으로 설명하는 E-2, E-3 유형은 아직 정교해지지 않은 대표적인 대안개념이 될 수 있겠다.

특히 공기를 이루는 구성 입자들의 충돌은 기체의 압력과 연계해서 종합적으로 이해되어야 한다. 특히 압력에 대한 이해 없이 단지 공기입자의 충돌만으로 소리의 전달과정을 설명하는 것은 불충분하며, 영재 학생이라고 할지라도 기체의 압력과 기체 분자들의 충돌 사이의 관계를 스스로 추론해 내기는 어려울 수 있다. 이러한 맥락에서 본 연구의 결과는 소리의 전달 과정과 관련하여 아직 정교하게 발달되지 않은 학생들의 대안개념에 대한 기초 자료로서 활용될 수 있으며, 소리 전달 과정에 대하여 초등학교에서 중학교 사이의 학생들이 지닐 수 있는 대안개념의 사례와 특징에 대한 이해의 폭을 넓혔다는 점에서 의미가 있다.

비슷한 맥락에서 본 연구의 결과는 소리 전달 과정에 대한 학생의 대안개념 뿐 아니라 기호에 대한 이해와 활용 방식을 보여준다. 영재 학생들의 그림들은 과학(교육) 공동체에서 일반적으로 통용되는 기호나 약속의 영향을 아직 ‘덜’ 받은 학생들이 구성한 시각적 표상들로서, 학생들이 일상적으로 사용하는 기호를 과학 현상과 어떻게 연결하여 이해하고 활용하는지 보여준다. 이러한 학생 사례들은 Fig. 3과 같이 교과서 및 교수학습 자료에서 관습적으로 사용되는 그림이나 기호들을 활용할 때[21], 학습자와의 소통을 고려한 기초 자료로 활용될 수 있다.

나아가 교수학습 측면에서 이러한 결과들은 소리의 전달 학습을 위한 과학 그리기 활동의 교육적 활용 가능성과 역할을 시사한다. 학생들은 소리의 전달 과정을 과학적 그림으로 나타내는 과정에서 공기입자의 이동 방향이나 충돌 모습을 구체적으로 표현하였다. 즉, ‘진동이 전달된다.’는 언어적 표현을 과학적 그림으로 구성하면서, 대상의 방향이나 위치와 같은 공간적 요소에 대한 시각적 추론을 촉진할 수 있었다[12]. 특히 소리의 전달 과정에서 학생들이 매질의 구체적인 역할을 이해하기 어려워한다는 점을 고려할 때[3], 공기입자의 움직임을 단계적으로 표현하며 시각적 추론을 촉진하는 과학 그리기 활동은 언어로 표현된 압축적인 과정을 정교화 시키면서 과학 개념의 형성을 촉진하는 교수학습 전략으로 활용될 수 있을 것이다.

끝으로 본 연구에서 보고한 과학적 그림 사례들을 토대로, 소리의 전달 과정에 대하여 부분적인 과학적 오류를 담고 있는 학생들의 대안개념들을 어떻게 과학적 개념으로 이끌 수 있는지에 대한 연구가 추가적으로 더 이루어질 필요가 있다. 본 연구에서는 완성된 과학적 그림만을 연구 대상으로 분석하였으나, 과학적 그림을 구성하는 과정에서 발생하는 학생들의 생각이나 시각적 추론 과정을 발성사고법(think aloud)을 통해 조사한다면, 과학적 개념으로의 발전을 촉진하기 위해 활용될 수 있을 것이다. 소리의 전달 과정에 대한 개념 발달의 기초 자료로서 본 연구의 결과들이 추후 연구들에도 의미 있는 토대가 되길 기대한다.

  1. E. West and A. Wallin, Int. J. Sci. Educ. 35, 980 (2013).
    CrossRef
  2. C. Fazio, I. Guastella, R. M. Sperandeo-Mineo and G. Tarantino, Int. J. Sci. Educ. 30, 1491 (2008).
    CrossRef
  3. M. E. Houle and G. Barnett, J. Sci. Educ. Technol. 17, 242 (2008).
    CrossRef
  4. C. J. Linder, Int. J. Sci. Educ. 15, 655 (1993).
    CrossRef
  5. J. H. Park, New Phys.: Sae Mulli 71, 150 (2021).
    CrossRef
  6. J. Park et al, Int. J. Sci. Educ. 42, 677 (2020).
    CrossRef
  7. K. S. Tang, S. C. Tan and J. Yeo, Int. J. Sci. Educ. 33, 1775 (2011).
    CrossRef
  8. A. Maries and C. Singh, Eur. J. Phys. 39, 015703 (2018).
    CrossRef
  9. J. Chang et al, Int. J. Sci. Educ. 42, 1362 (2020).
    CrossRef
  10. S. Ainsworth, V. Prain and R. Tytler, Science 333, 1096 (2011).
    Pubmed CrossRef
  11. J. L. Lemke, Reading science: Critical and functional perspectives on discourses of science, edited by J. R. Martin, J. R. Martin and R. Veel (eds). (London, UK, 1998), p 87-113, Chap. 5.
  12. J. Yeo and J. K. Gilbert, Multiple representations in physics education, edited by D. F. Treagust, R. Duit and H. E. Fischer (eds). (Cham, Switzerland, 2017), p 255-287, Chap. 11.
  13. S. Kang and B. Tversky, Cogn. Res.: Princ. Implic. 1, 4 (2016).
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  14. R. Tytler et al, J. Res. Sci. Teach. 57, 209 (2020).
    CrossRef
  15. N. Nersessian, Teaching scientific inquiry: recom-mendations for research and implementation, edited by R. A. Duschl and R. E. Grandy (eds). (Rotterdam, Netherlands, 2008), p 57-79, Chap. 5.
  16. M. T. Chi and N. De, Cogn. Sci. 18, 439 (1994).
    CrossRef
  17. I. Adler, L. Schwartz, N. Madjar and M. Zion, Sci. Educ. 102, 820 (2018).
    CrossRef
  18. G. Kress and T. Van, Reading images: The grammar of visual design. (London, UK, 2020), p 19-43, Chap. 1.
    CrossRef
  19. J. Park, K. S. Tang and J. Chang, Sci. Educ. 105, 1013 (2021).
    CrossRef
  20. O. Parnafes, Cogn. Instr. 30, 359 (2012).
    CrossRef
  21. J. Han and W. M. Roth, Sci. Educ. 90, 173 (2006).
    CrossRef
  22. Ministry of Education, Science 3-2. (Ministry of Education, Seoul, 2018).
  23. Ministry of Education, Teacher guidebook of Science 3-2. (Ministry of Education, Seoul, 2018).
  24. T. Noh et al, Middle school science 1 (Cheonjae Kyokwaseo. (Cheonjae Kyokwaseo, Seoul, 2019).