npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 857-865

Published online November 30, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.857

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Secondary Students' Process of the Conceptual Change of Motion of Objects in Dynamics Teaching Using Block Coding

Ok Jeong, Wonkun Oh*

Department of Physics Education, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea

Correspondence to:*E-mail: wkoh@cbnu.ac.kr

Received: July 22, 2022; Revised: October 5, 2022; Accepted: October 7, 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 examines how students’ concepts of position, displacement, speed, and acceleration, which can be said to be the basis of dynamics, are formed and changed through the teaching of dynamics by using block coding and how metacognitive processes are enhanced in this process. A qualitative study was conducted on five students who engaged in a teaching class that introduced the block coding method to enable the students to check their own concepts. As a result, it was possible to discover misconceptions or conceptual difficulties related to dynamics that were formed in students, and to observe the cognitive conflicts experienced by the students themselves and the metacognitive process that appeared in the conflict resolution process.

Keywords: Dynamics, Concept of motion, Block coding, Metacognition

본 연구는 블록 코딩을 활용한 수업을 통해 동역학의 기초라고 할 수 있는 위치와 변위, 속도, 가속도의 개념이 학생에게 어떤 형태로 형성되어 있고 어떻게 변화되어 가는지, 이 과정에서 어떠한 메타인지적 과정이 이루어지고 있는지 알아보는 데 목적이 있다. 이를 위해 5명의 학생들과 1:1로 수업을 진행하면서 학생들에게 형성되어 있는 개념을 확인할 수 있도록 코딩을 유도하는 질적 연구를 진행하였다. 그 결과 학생들에게 형성되어 있는 동역학 관련 오개념이나 개념적 어려움을 확인하였으며, 학생 스스로 경험하는 인지적 갈등과 갈등 해소 과정에서 나타나는 메타인지적 과정을 확인할 수 있었다.

Keywords: 동역학, 운동 개념, 블록 코딩, 메타인지

중등학교 학생들은 속도나 가속도와 같은 동역학 관련 기초 개념들을 학교 수업에서 배우기 전에 일상생활을 통해 직간접적으로 체험하고 목격하기 때문에, 과학적 개념과는 달리 자신만의 고유한 내용으로 이미 개념화 되어 있는 경우가 많다[1]. 이러한 개념들은 상황과 대상에 따라 달라질 뿐 아니라 여러 연관된 개념들을 학습하거나 이해하는 데에도 영향을 주어 학생들이 속도와 가속도의 관계를 잘 이해하지 못하거나, 운동에너지의 개념을 잘못 학습하는 등 동역학의 내용을 제대로 이해하는데 방해가 되는 경우가 많다[2, 3]. 특히, 속도와 가속도는 위치 변화와 시간 변화의 연관성이 비례관계로 정의되는 양인데 비하여 중등학생들의 비례 관계에 대한 이해와 학습은 기대한 만큼 충분히 이루어지지 못하며, 이러한 중등학교의 동역학 개념에 대한 어려움은 대학생의 물리개념 이해에도 영향을 주게 된다[4, 5].

이러한 어려움을 극복하기 위해서는 물리교사가 학습자 개개인이 가지고 있는 오개념을 빠르게 파악하여 수정하거나 보완할 수 있도록 학습자의 사고 과정을 관찰할 수 있어야 하며, 적절한 시기에 피드백을 제공하는 것이 필요하다. 단지 교사가 내용을 설명하고, 몇 가지 계산 기반의 전형적인 연습 문제 등을 훈련시키는 과정을 통한 학습으로는 학생들이 학습 후에도 여전히 운동의 주요 개념들 사이의 관계를 충분히 이해하지 못하고 있음이 들어나기 때문이다[2]. 이에 비하여 3차원 가상현실을 이용한 동역학 시뮬레이션 실험을 통해 학생들이 물체의 움직임을 직관적으로 이해하게 하는 활동이나, 운동 물체에 대한 동역학 촬영 및 분석을 통한 활동 등은 실시간으로 물체의 운동 변화를 관측하며 동역학 개념을 학습하게 하는데 도움을 줄 수 있다고 보고된 바 있다[3, 6].

특히, ‘아두이노’보드와 같은 마이크로프로세서 기반의 실험에서는 학생들이 물체의 운동을 관찰하기 위한 알고리듬을 설계하고 프로그램을 작성할 수 있는데, 이러한 과정에서 문제를 해결하기 위하여 알고리듬을 분석하고 개선하는 과정이 학생의 메타인지를 강하게 촉진하여 동역학 개념 변화에 기여한다는 연구도 진행된바 있다[7]. 이러한 동역학 관련 프로그래밍 활동은 알고리듬의 설계와 개선 단계에서 지도교사가 학습자의 사고과정을 실시간으로 확인하고 그렇게 행동한 이유를 파악할 수 있어서 매우 도움이 되는 교육방법이라고 판단된다. 최근, 블록 코딩을 기반으로 하는 온라인 컴퓨터프로그래밍 도구가 광범위하게 보급되고 활용되고 있는데, 이러한 블록코딩은 프로그래밍의 언어와 문법을 배우지 않고도 직관적으로 메뉴 블록을 연결하여 알고리듬을 구현할 수 있으므로, 쉽게 동역학 교육에 적용할 수 있다.

이처럼 블록 코딩을 활용한 수업에서 학습자가 교사와 함께 알고리듬을 구현하는 활동을 수행하면, 교사는 학습자와 함께 화면에서 구현되는 대상의 움직임을 위한 코딩을 직접 하며 그 결과를 관찰하면서 학습자에게 형성된 개념을 인지하거나 인지갈등을 확인할 수 있으며, 학습자는 이러한 구현 과정에서 개념변화를 위해 다양한 활동을 시도하게 되면서 메타인지가 활성화된다. 동시에 교사는 학습자가 코딩하는 과정이나 그 결과물을 보고 학습자의 개념 형태를 파악할 수 있으므로 적절한 시기에 피드백을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 블록 코딩이 학교 현장에서 활발히 보급되었음에도 불구하고 이를 활용하여 학습자들의 동역학 수업에 적용한 연구는 많이 찾아보기 어렵다.

본 연구는 블록 코딩 프로그램 중 MIT에서 개발된 도구인 ‘스크래치(Scratch)’를 활용하여 동역학의 기초인 좌표와 변위로부터 속도가 변하는 가속도 운동까지 학습자가 스스로 블록 코딩을 통하여 물체의 운동을 제어할 수 있도록 지도하면서 학습자에게 형성되어 있는 개념을 확인하고, 그 과정에서 학생 스스로 코딩으로 구현되는 내용의 문제점을 해결하려 노력하는 과정에서 어떠한 유형의 메타인지가 작용하며, 이에 따라서 학생들의 오개념이 어떻게 변화되어 가는지 구체적인 사례를 통하여 알아보는 데 목적이 있다. 이를 위하여 소수 학생을 편의 표집하여 수업 중 면담 방식으로 사례 연구를 수행하였으므로 본 연구의 결과를 일반화하는 것은 제한적이다.

본 연구를 위한 구체적인 연구문제는 다음과 같다.

첫째, 블록 코딩을 교사의 안내 없이 학생이 자발적으로 활용한 물체의 운동 구현 과정에서 위치와 변위, 속도, 가속도에 대한 학습자의 오개념, 또는 개념적 어려움은 무엇인가?

둘째, 블록 코딩을 활용한 수업이 코딩 중에 나타나는 개념적 오류를 해결하고 개념변화가 일어나는 과정에서 학생의 어떠한 메타인지를 촉진시키는가?

본 연구는 중·고등학생 가운데 고교 1학년의 통합과학 수업을 통해 동역학 관련 개념을 배운 경험이 있는 고교생 학습자 4명과 아직 배우지 않은 중학교 학습자 1명을 대상으로 하였다. 학교 수업에서 이미 배운 4명 중 3명은 최근 2-3개월 이내에 동역학 관련 학교 수업을 받은 학습자들이며, 1명은 동역학 관련 개념을 학교에서 배운지 1년 이상 지난 학습자로 이고, 나머지 1명은 물체의 운동과 관련해서 학교 수업을 통해 전혀 배워 본 적이 없는 학습자이다. 본 연구는 블럭코딩을 통하여 물체의 운동을 구현하는 학습을 수행하는 과정에서 학생들이 가지고 있는 운동 관련 선개념을 파악하고, 이에 대한 변화과정을 수행하는 사례 연구이므로 사전 개념 검사는 수행하지 않았다.

학생들이 쉽게 프로그래밍을 할 수 있도록 개발된 교육용 프로그램 언어(EPL:Educational Programming Language)인 ‘스크래치(Scratch)’는 초보자도 이해하기 쉽고, 배우기 쉬우며, 직관적으로 코딩할 수 있는 프로그램이다. 스크래치는 학습자에게 코딩에 대한 부담감을 최소화하면서 수업에 참여할 수 있게 해 주는 블록 코딩 프로그램이다. 이 학생들은 학교에서 정보교과 수업을 통하여 간단히 한두 번 블록 코딩을 실습만 해 본 정도로 매우 초보적인 수준이며, 블록 코딩에 대한 경험이 매우 적어 자기 스스로는 독자적으로 프로그램을 제작할 수 없는 상태이다.

본 연구는 5명의 학습자와 1:1로 80분-100분 동안 블록 코딩 프로그램 중 하나인 스크래치를 활용하여 동역학의 기본개념인 위치와 변위, 속도, 가속도에 대해 개별학습을 수행하면서 학습자의 사고과정과 인지적 갈등, 메타인지적 과정을 주의 깊게 관찰하는 질적 사례연구로 진행되었다. 학생들이 블록 코딩을 잘 하지 못하므로, 이 도구를 활용하여 학습자가 직접 주어진 동역학 과제에 대한 블록 코딩을 수행하는 교육을 진행하였다. 블록 코딩으로 화면에서 스프라이트를 움직이기 위하여 코딩 블럭을 구성하는 과정에서 나타나는 학습자의 동역학 개념 상태를 교사가 확인하고, 코딩의 문제를 해결하기 위하여 노력하면서 개념의 변화가 일어나는 과정에서 어떠한 메타인지적 과정이 활성화되는지 관찰하였다.

수업의 첫 단계에서 수업을 하는 데에 지장이 없도록 스크래치 상의 블록을 살펴보고, 간단한 코딩으로 스프라이트를 움직여 보도록 하면서 기본적인 블록 코딩을 훈련시켰다. 그 후 코딩을 하는 데에 무리가 없다고 판단되면 학습자에게 형성되어 있는 운동에 대한 일반적인 개념을 확인하기 위해 Table 2의 질문을 순차적으로 하면서 코딩하는 과정을 조용히 관찰하였다. 이때 학습자가 코딩하는 중에는 어떠한 설명도 하지 않고 자유롭게 코딩할 수 있도록 하였으며, 다만 스크래치 활용에 있어서 어려움을 느껴 도움을 요청하는 경우에는 다른 방법으로 블록을 사용할 것을 권유하는 등 필요한 최소한의 도움을 제공하였다.

Table 2 Coding tasks to find the concepts formed in the learner.

(A) positon and displacement
① Move the cat* to the desired position.
② Move the cat toward the 1 o'clock (5 o'clock, 7 o'clock, etc.) position.
③ Move the cat to the center.
(B) speed
① Make it move only in the x direction for 1 second.
② Move it about 10 steps long, by the rate of 30 steps per second.
③ Mke it go a little faster.
④ Make it draw a dot for every step.
⑤ Make dots and a cat that goes a little faster than this cat now.
(C) acceleration
① Make points taken by a cat that changes speed.
② Make dots while making the difference between the dots constant.

*‘Cat’ is a sprite that appears on the Scratch screen.



Table 2의 질문(A)에 대한 과제를 수행하는 것을 살펴보며 학습자에게 형성되어있는 운동에 대한 개념을 확인하고 운동과 위치변화에 대한 개념 여부를 하였다. ‘물체의 위치’에 대한 과학적 개념이 부족하다고 여겨지면 5시, 7시, 11시 방향 등 다양한 시계방향으로 고양이를 이동시키는 과제를 제시하여 학습자 스스로 위치에 대한 개념을 형성할 수 있도록 도움을 제공하였다. 물체의 위치를 공간상의 좌표를 이용하여 표현할 수 있게 되면, 물체를 움직이게 하면서 변위에 대한 개념이 어떻게 형성되어 있는지 확인하였다. 이러한 과정에서 구현의 어려움을 겪을 때 드러나는 학습자의 인지 갈등 요소와 갈등 해소 과정, 메타인지 요소 등을 관찰하였다.

학습자가 물체의 운동을 위치 변화로 이해하게 되었다면 Table 1의 (B)의 질문을 제시하였다. 이는 학습자에게 형성되어 있는 속도에 대한 개념을 확인하는 과정으로 과제를 수행하는 학습자의 코딩 과정을 살펴보면서 대화를 통해 그렇게 코딩한 이유를 질문하여 학습자의 개념에 대해 파악하였다. 다음으로 물체의 운동을 타점으로 표현할 수 있도록 질문을 제시하고, 이를 코딩하는 과정에서 발견되는 속도에 대한 오개념이나 개념적 어려움, 물체에 운동에 대한 점선 궤적을 이용한 속도 비교 가능 여부 등을 확인하였다.

Table 1 The Research participants.

StudentGradeSchool class about dynamics in 10th scienceSchool class about block coding
A102 months before2 year before
B102 months before2 year before
C102 months before2 year before
D8No1 months before
E111 year before3 year before


물체의 운동을 점선 궤적으로 표현할 수 있게 되면 학습자에게 형성되어 있는 가속도의 개념을 파악하기 위해 Table 2의 질문(C)를 제시하여 코딩 과정을 관찰하였다. 속도가 달라지는 것을 어떻게 표현하는지 확인하고 타점 사이의 간격 변화가 가속도를 의미하고 있음을 이해하는지 주목하여 관찰하였다. 코딩하는 도중에는 그렇게 코딩한 이유를 묻고, 블록에 데이터로 입력한 숫자가 무엇을 의미하는 지 수시로 질문하며 학습자가 스스로 수행에 대하여 점검하는 메타인지 과정을 확인하였다. 점선 궤적을 보면서 타점 사이의 간격이 의미하는 것이 무엇인지 학습자에게 설명하게 하였으며, 그런 타점을 찍으면서 이루어지는 운동의 예는 무엇이 있는지 이야기하도록 하여 학생에게 형성된 가속도 개념을 확인하였다.

이상과 같은 연구절차에 따라 학생들의 코딩 과정을 관찰하면서 학습자 개개인의 인지적 갈등과 개념이해 수준을 파악하고 필요하다면 개념변화를 촉진하기 위해 메타인지를 활성화할 수 있는 추가질문도 제시하였다. 이 과정에서 주고받은 대화의 녹취록과 남아있는 코딩 자료로 학습자의 메타인지 과정과 개념변화 과정을 분석하였다. 학습자에게 나타난 메타인지 활동요소는 Table 3에 제시한 김익균 등(2002)이 분류한 방법을 활동 요소의 내용에 따라 점검하기(monitorint), 조절하기(regulation), 평가하기(evaluation) 등으로 분류하여 이에 따라 학생의 메타인지 활동내용을 판단하였다[8].

Table 3 The criteria for the analyses of metacognitive activity elements.

TypesMetacognitive activity elements
A: monitoring· What the student knows, thinks strange, or feels difficult to believe about a particular physics concept?
B: regulation & · Do learners try to relate concepts they know?
C: evaluation· How do learners relate what they know to what they have learned?
· How do you decide what is right when you come across a new concept that doesn't fit with your own thinking?
D: planning· How do learners perceive the goals of learning activities?
· Do you engage in conscious learning activities according to goal recognition?

1. 블럭코딩 과정에서 드러난 물체 운동의 개념 유형

1) 물체의 운동을 직각좌표보다 극좌표로 인식함

학습자가 스크래치를 활용한 블록 코딩에 익숙해 진 것을 확인한 후 위치에 대한 개념 형성에 대해 알아보기 위해 코딩을 이용하여 화면에서 고양이 스프라이트를 정해진 방향으로 이동시켜 보라는 질문을 제시했을 때, 이에 대해 일부 학습자는 Fig. 1같이 코딩하였다.

Figure 1. (Color online) Comparison of codings by the students A and C for rotation and moving.

학생 A는 고양이를 1시 방향으로 이동시키기 위해 Fig. 1(a)와 같이 코딩하고 ‘15도 회전하기’를 여러 번 클릭하여 고양이의 방향을 정하고, 별도의 블럭인 ‘10만큼 움직이기’를 계속 클릭하여 1시 방향으로 고양이를 이동시켰다. 즉 방향을 정한 후, 그 방향으로 직선운동하게 하는 과정은 일상생활을 통해 극좌표에 대한 직관적인 개념이 이 학습자에게 형성되어 있음을 보여준다. 그러나 물체의 운동을 뉴턴 역학을 기준으로 이해하는 물리 교과에서는 대체로 직교좌표계를 사용하고 있으므로 이 학습자에게 직교좌표를 활용할 수 있도록 안내하였다.

학생 C는 오른쪽 위로 고양이를 이동시키기 위해 Fig. 1(b)와 같이 코딩하여 계속 클릭하였으나 고양이는 오른쪽 위로 이동하지 않고 정면을 향해 움직였다. 코딩을 이용하여 고양이를 이동시키지는 못했지만 학생 C는 이 코딩에 대해 ‘고양이를 10만큼 움직인 후 15도 회전시키면 고양이가 10만큼 이동한 후에 위로 15도만큼 갈 줄 알았어요. 마지막에는 삐뚤어져 있는 고양이를 90도 보기로 바르게 하고 싶었어요.’라고 이야기했다. 이는 학생 A와 반대로 직선운동 후 각운동을 통하여 물체의 위치를 이동시키려 함을 보여주는 경우이다.

2) 위치와 변위의 혼동

학생 A는 등속 직선 운동하는 고양이를 구현하도록 제시한 ‘1초마다 30씩 10걸음 정도 가게 해 보자’라는 질문에 대해 Fig. 2(a)와 같이 코딩하였고, 그 결과로 고양이는 원래 있던 자리에서 처음 1초 동안 (30, 0)의 위치로만 이동하고 멈추었다. 이는 지정 좌표로 이동시키는 블럭을 이용하여 지속적인 변위를 유발하려는 혼동에서 비롯된 것으로, 이 학습자는 위치와 변위의 개념을 잘 구분하지 못함을 보여준다. 학생 A는 본인의 기대와 다르게 움직이는 고양이를 보고 이상하게 생각하며 x좌표의 숫자를 10으로 변경한 후 고양이의 운동을 관찰했다. 고양이가 10씩 10걸음 운동하지 않고 (10,0)의 위치로 가는 것을 보고 (자신의 생각과 다른 점을 비교하는 메타인지 과정을 거쳐) ‘아.. 이게 위치구나’라고 표현하며 변위와 시간을 표현할 수 있는 새로운 블록을 찾기 위해 노력하다가 Fig. 2(b)와 같이 코딩하여 고양이가 움직이게 했다. 학생 A는 처음에 위치 좌표만을 이용한 코딩이 고양이를 기대하는 위치로 보내지 못하는 것을 보고 인지적 갈등이 발생했으며, 이러한 갈등을 해소하기 위해 앞에서 살펴본 바와 같이 x좌표의 숫자를 변경시키는 등 메타인지적 과정을 통해 좌표는 변위를 의미하는 것이 아님을 확인하였다. 이와 같이 문제를 해결하려는 과정에서 위치와 변위를 혼동하고 있는 자신의 오개념을 스스로 발견하게 되었다.

Figure 2. (Color online) Block coding by the student A for repeated displacement.

학생 E는 ‘1초 동안 x 방향으로만 움직이게 해 보자’라는 질문에 대해 처음에는 Fig. 3(a) 같이 코딩하여 실행시켜 고양이가 (-100, 0)으로 이동한 후 1초 동안 (10, 0)으로 이동하여 x방향으로 110의 변위만큼 이동하게 했다. 고양이의 움직임과 코딩만 보면 단위 시간에 따른 변위로 제대로 이해하여 코딩한 것처럼 보인다. 그러나 고양이의 운동을 설명해보라는 질문에 학생 E는 ‘x방향으로 10만큼이요’라고 대답하였는데, 이는 고양이가 (-100, 0)에서 (10, 0)으로 x방향으로 110만큼 움직였다고 인식하지 않고 고양이가 (-100, 0) 위치에서 출발하여 x방향으로 10만큼 이동하여 (-90, 0)의 위치로 이동했다고 생각한 것이다. 이는 위치와 변위를 혼동하고 있음을 보여주는 응답이었는데, 추가된 다음 질문에 대한 코딩의 결과를 살펴보면 이러한 혼동을 더욱 확실히 발견할 수 있다. 학생 E에게 ‘고양이를 열 걸음 정도 움직이게 해 볼까?’라고 질문하자 Fig. 3(b)와 같이 코딩한 후 ‘어? 왜 안 가지?’라고 혼자 중얼거렸다. 이 코딩은 고양이를 (10, 0)의 위치로 이동하는 것을 10회 반복한다는 것으로, 이렇게 코딩을 해서 실행시키면서 고양이가 계속해서 (10, 0)의 위치에 머무르게 되었다. 그러나 학생 E는 ‘(10, 0)으로 이동’을 위치로 인식하지 않고 변위 10으로 인식하고 있었으며, 위치와 변위를 혼동하는 이러한 행동은 반복적으로 나타나고 그럴 때마다 몇 가지 코딩의 변화를 시도했지만 위치와 변위를 혼동하는 개념적 상태는 지속되었다. 그 후 Fig. 3(b)에 의해서 고양이가 멈춰있는 것을 확인한 후에 비로소 ‘아. 맞다! 좌표구나...’라고 이야기하는 모습을 보였다. 이 학생은 자신의 개념상태로 문제가 해결되지 않는 인지갈등과 수정이 반복되면서 이를 해결하려는 메타인지가 더욱 활성화되고 점차 위치와 변위를 혼동하는 횟수가 감소하다가 마침내 위치좌표와 변위가 다른 개념이라는 것을 스스로 확인하게 되었다.

Figure 3. (Color online) Block coding by the student E for repeated moving.

3) 속도를 시간적 변화로만 인식함 (시간 간격이 작으면 빠르다고 인식)

물리학에서 속도는 시간적 변화와 공간적 변화를 동시에 고려해야 하는 개념임에도 불구하고 본 연구에 참여한 학생들은 대부분 속도가 증가하는 운동을 코딩하면서 속도의 변화를 주로 시간적 변화로만 인식하는 모습을 보였다. Figure 4는 그러한 예시로 학생 A의 코딩을 나타낸 것이다.

Figure 4. (Color online) The change of block codings by the student A and E about speed.

‘고양이를 조금 더 빨리 가게 해 보자’라는 요청에 대하여 처음에 학생 A와 학생 E는 ‘빨리 간다는 것은 많이 이동하는 것’이라고 이야기하며 시간은 변화시키지 않고 이동한 거리를 증가시키는 방법으로 코딩했는데, 이러한 코딩 과정은 학생의 속도 개념이 올바른 것처럼 보여준다. 그러나 코딩을 실행시켜 고양이의 움직임을 관찰하면서 학생들은 ‘빨리 가면 많이 가는 건데... 왜 똑같이 가지?’라는 이야기를 하면서 본인이 알고 있던 개념과 고양이의 움직임이 나타내는 시각적 정보 사이에서 인지적 갈등을 나타내었다. 이를 해결하기 위해 두 학생은 Fig. 4(c)처럼 시간을 바꾸는 방법으로 코딩하여 실행하였으며 고양이의 움직임이 빨라진 것으로 보고 나서야 속도가 빨라졌다고 이야기했다.

Figure 4의 그림 a와 그림 b를 비교하면 1초 동안 더 많이 이동한 그림 b의 코딩에서 물체의 속도가 더 빠르다. 그러나 그림 a, b 모두 고양이가 움직이는 시간이 1초 간격으로 동일하므로 두 학생은 고양이가 같은 속도로 움직인다고 인식하고 있었다. 그러나 처음에 ‘더 빠르다’는 것은 동일시간 동안 더 많이 이동하는 것이라고 이미 표현하고 있었음에도 불구하고 두 그림을 비교하면서 화면에서 멈춰있는 시간이 같으면 이동한 거리가 멀어져도 같은 속도라고 생각하고 있었다. 그러나 그림 c에서 화면전환의 시간 간격을 줄이면서 ‘더 빨라졌다’고 만족하는 표현을 보면, 학생들이 직관적으로 생각하는 ‘빠르다’의 개념은 학습한 과학적 개념과 달리 시간적 변화에만 주목하는 상태라는 것을 알 수 있다.

학생 B, 학생 C, 학생 D는 속도가 증가한 고양이를 코딩할 때 Fig. 4의 그림 b, c와 같이 변위는 그대로 두고 시간을 줄이는 방법을 먼저 선택해서 코딩했다. 코딩을 실행하고 고양이의 동작이 빨라지자 속도가 증가했다고 이야기하는 모습도 보였다. 그러나 교사가 시간 간격은 그대로 두고 변위만를 변화시켜 다시 코딩해보도록 요구하였을 때, 그대로 코딩한 뒤 고양이의 움직임을 보고는 학생 A, E처럼 속도가 증가하지 않은 것으로 인식하였다. 이 학생들은 화면이 전환 시간이 작은 경우를 ‘빠르다’고 인식하고 있으며, 이는 일상생활에서 영상의 전환 시간을 작게 할 때 느끼는 ‘전환의 빠르기’와 ‘물체의 운동에서 빠르기’를 구별하지 못하는 것으로서, 이 때문에 코딩 과정에서 시간적 변화로만 스프라이트의 빠르기를 비교하려고 하였다. 실제로 단위 시간당 변위를 비교할 수 있는 Fig. 4의 그림 a, b에서 시간은 일정하게 하고 변위만 증가시킨 그림 b에 대하여 학생 D는 ‘그건 그냥 멀리 가는 거죠. 빨리 가는 게 아니잖아요?’, 학생 E는 ‘거리만 늘어난 거잖아요. 10만큼에서 30만큼으로요.’라고 말하여, 여전히 시간이 아닌 변위의 차이는 빠르기와 무관하다는 주장을 반복하고 있다. 이는 컴퓨터 코딩과 물체의 운동을 연관시켜 교육하지 않던 이전의 운동개념 관련 연구에서는 쉽게 찾아보기 어려운 물리 오개념으로, 컴퓨터 코딩 기반 운동 개념 학습에서 학생들은 화면의 전환시간을 ‘빠르기’ 개념과 연관시켜 생각함을 발견할 수 있다.

4) 동적 정보와 정적 정보 사이에서의 갈등

학생들이 점선 궤적을 이용하여 속도를 비교할 수 있도록, 고양이가 움직이면서 남기는 타점을 이용하여 물체의 운동을 비교하여 분석하도록 스프라이트가 움직이면서 타점을 찍어 표현하는 방법을 안내하였다. 타점 찍는 코딩을 어렵지 않게 할 수 있게 된 것을 확인한 후 ‘지금보다 조금 빨리 가는 고양이가 찍는 점을 나타내 보자’라고 학생들에게 과제를 제시했다. 학생 A는 속도가 다른 두 타점을 비교하기 위해 엎드려있는 모습의 고양이 스프라이트를 하나 더 추가하였다. 시간 간격만 다르게 하고 나머지는 똑같은 코딩을 하여 실행시키자 두 고양이가 찍은 타점이 Fig. 5의 그림 a, b에서 동일하게 나타났다. 서 있는 고양이가 찍은 타점이 그림 a의 결과이고, 엎드려 있는 고양이가 찍은 타점은 그림 b의 결과이다. 그림 a는 0.2초 간격, 그림 b는 0.5초 간격으로 시간만 차이가 있고 변위는 모두 동일하다.

Figure 5. (Color online) the block codings by the student A for comparing speeds.

타점을 찍기 전에는 학생이 동적 정보인 고양이의 움직임만 보면서 화면전환 간격이 0.2초로 코딩된 고양이가 더 빨리 간다고 대답했는데, 고양이의 움직임이 모두 끝난 후에 정적 정보인 두 고양이가 찍은 타점이 같은 모습으로 나타나자 ‘어... 둘이 똑같은 속도로 가네요.’라고 이야기하며 인지적 갈등을 표현하였다. 동적 정보인 고양이의 움직임을 보는 것과 정적 정보인 점선 궤적을 보는 것은 학생이 접하게 되는 정보의 종류가 다르다는 것을 의미한다. 고양이의 움직임을 볼 때는 동적인 정보를 인식하는 것으로 움직이는 상태를 보고 있으므로 더 먼저 최종지점에 도착한 고양이를 빠르다고 인식한다. 하지만 점선 궤적은 정적 정보로써 최종 결과만 보게 되기 때문에 전체 이동거리나 점의 간격만으로 빠르기를 인식하게 하는 정보이다. 따라서 아직까지 동적 정보에 대하여 빠르기를 시간 변화 중심으로만 인식하던 학생 A가 정적 정보인 점선 궤적을 관찰하게 되면서 시간적 변화가 아닌 공간적 변화만 비교하면서 비로소 자신의 개념이 충분하지 못함을 인식하게 됨을 나타낸 것이다.

이러한 인지 갈등 상황은 학생 D에게서도 볼 수 있었으며 이러한 갈등을 해결하기 위해 학생 A와 학생 D에게 이후에 시간과 변위를 바꾸어가며 코딩하면서 점선 궤적과 고양이의 움직임을 비교하여 관찰하는 활동을 수행하게 되었다. 이 과정에서 학생들이 자신이 알고 있던 것과 문제 상황을 해결하기 위한 여러 코딩의 수정 활동을 통하여 결국 이러한 인지 갈등이 해소되고 동적정보와 정적정보를 구별하여 고려하면서 두 정보에 대하여 통합적으로 속도를 비교할 수 있게 되었다.

2. 사고 과정에서 나타난 학생별 메타인지 유형

수업을 진행하면서 학생들이 코딩하는 과정에서 스스로 과제를 수행하려 하거나 문제를 해결하면서 혼자말을 하기도 하고 교사에게 질문을 하거나 의견을 표현하기도 하면서 다양하게 자신의 개념적 상태나 메타인지적 과정을 표현하였다. 이러한 메타인지는 어떤 특별한 체계나 패턴을 가지고 나타나는 것이 아니라, 다소 무작위적이며 과제 활동의 여러 상황과 학생 개인의 특성에 따라 다양하게 나타난다. 실제로 블럭 코딩을 통한 물체의 운동을 구현하기 위하여 작업하는 과정에서 나타난 학생들의 여러 언어 표현 중 메타인지적 과정에 대응되는 내용들을 살펴보면, 예를 들어 학생 A의 경우는 다음과 같이 몇 가지를 예시하여 그 유형을 분류할 수 있다.

“이렇게 하면 되지 않을까요?” (유형 B, D)

이러한 학생의 표현은 활동하고자 하는 내용의 방향성을 제안하는 유형인 계획하기(D: planning)나 자신의 활동 방향을 조절하려는 유형(B: regulation)으로 분류될 수 있다고 판단하였다. 하나의 언어표현은 다양한 의도를 함의하는 경우가 많기 때문에 하나의 메타인지적 과정으로 유일하게 대응되기보다는 몇 가지가 중복된 것으로 볼 수 있는 내용들이 많다. 다음과 같은 표현들도 다양한 중복된 의미를 내표하는 사례들이다.

“빨리 가면 많이 가는 거니까 이것도 맞는 건데...” (유형 A, B, C)

“왜 똑같이 가지?” (유형 B, C)

이처럼 학생 A는 예시된 사례이외에도 블럭코딩을 이용한 활동을 수행하면서 메타인지 활동요소의 각 유형에 해당되는 표현들을 수시로 표현하고 있다. 이와 마찬가지로 다른 학생들도 여러 다양한 메타인지적 표현을 제시하고 있다. 예를 들어 학생 B와 학생 C가 표현한 내용들을 살펴보면 그 일부를 다음과 같이 예시할 수 있다.

학생 B의 경우는,

“1시 방향은 오른쪽 대각선 위니까...” (유형 A, B, D)

“점은 똑같죠. 점만 보면은 빠르기를 알 수 없죠. 간 거리가 같으니까. 그러니까... 초마다 간 거리가 같으니까.” (유형 B, C)

“0.5초씩 이동할 때는... 0.5초도 30만큼 이동을 했고, 0.1초에서도 30만큼 이동을 했으니까 결국 간 거리는 똑같으니까 점 위치도 같을 거 아니에요. 그러니까 점 위치만 보고서는 어느 게 빠른지를 볼 수 없죠.” (유형 A, B, C)

학생 C의 경우는,

“근데 왜 이게 눌렀는데도 똑같은 데로 가는 거지?” (유형 A )

“아! 이게 그거구나. 여기 위치! (33,6)이 여기 위치네요.” (유형 A, C, D)

“왜냐하면 (다)가 가는 데 거리가 적으니까 빨리 도착한다고 생각했어요,” (유형 A, B)

이 학생들도 학생 A처럼 다양한 유형의 메타인지 활동요소에 해당되는 표현을 하고 있을 뿐 아니라, 그 내용을 보면 혼자말로 자신의 생각을 점검하거나 교사에게 의견을 표현하는 경우도 있고, 자신의 인지 갈등 상황을 해소하기 위한 내용을 발견하는 표현 등 여러 형태로 나타남을 볼 수 있다. 학생 D와 E도 역시 다른 학생들처럼 여러 메타인지적 표현을 학습하는 과정에서 표현하고 있다.

학생 D의 경우는,

“아니요. 그건 그냥 멀리 가는 거죠. 빨리 가는 게 아니잖아요?” (유형 B, C)

“점의 개수가 같네요. 눈으로 봤을 때는 0.1초 기다리다 가는 고양이가 더 빨랐는데, 점만 보면 알 수가 없어요.” (유형 B, C)

“그러네.. 얘가 더 빠르네.. (1초 동안) 더 많이 갔으니까 음... 30씩 이동한 게 더 빠르네요..” (유형 B, C)

이 학생은 상대적으로 B유형과 C유형의 메타인지 활동요소가 다른 학생들에 비하여 자주 나타난다.

학생 E의 경우는,

“빠르게? 빠르게 하려면... 빠르게 가면 많이 가지 않을까요?” (유형 B)

“거리만 늘어난 거죠. 10에서 30만큼으로요. 시간은 똑같잖아요.” (유형 A, B)

“어,, 거리가 달라서... 아까 걔가 더 빨라 보였는데.” (유형 A, B, C)

이 학생은 자신의 초기 개념적 상태로부터 코딩 활동을 수행하는 과정에서 여러 메타인지 요소를 표현하면서 인지갈등을 보이면서 개념적 과정을 드러냄을 알 수 있다.

이와같이 각 학생들이 혼잣말 또는 교사와의 대화를 통하여 표현한 메타인지적 활동요소들을 요약하면 Table 4와 같이 나타낼 수 있다. 이 결과를 보면 학생들이 블럭코딩을 이용한 물체의 운동 구현 학습 과정에서 자신의 운동 관련 개념과 구현되는 내용들 사이의 불일치를 해소하기 위한 여러 인지적 노력을 하는 과정에서 각 유형에 해당하는 메타인지 활동요소들이 골고루 이루어지고 있음을 알 수 있다. 특히 자신이 알고 있는 개념이나 생각들을 코딩과 연관시켜 구현하려는 노력에 해당되는 점검활동(regulation)인 B 유형이 상대적으로 더 많이 나타남을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 블럭 코딩을 통하여 학생들이 물체의 운동을 구현하는 알고리듬을 스스로 구성하고 이를 통해 나타난 결과와 자신의 개념을 비교하는 과정은 학습자 자신의 선개념을 잘 노출시키고, 여기서 구현된 결과와 차이에 대한 인지적 갈등을 해소하기 위하여 다양한 메타인지 활동이 이루어지도록 촉진한다는 것을 확인할 수 있다. 또한 학생의 특성별로 보면 학생 A와 E의 경우가 다른 학생들보다 훨씬 더 활발한 메타인지 활동을 하고 있다는 것을 알 수 있다. 두 학생들이 다른 학생들보다 더 적극적으로 블럭코딩을 수행하면서 다양한 개념적 상태를 드러내고, 또한 이를 해결하기 위하여 여러 가지 방법으로 블럭코딩의 내용을 수정하고 자신이 구현하려는 결과물을 얻기 위하여 노력하였는데, 이러한 과정은 계속적인 메타인지적 표현을 수반하면서 많은 표현을 만들어냈고, 그 결과로 물체의 운동을 블럭코딩으로 성공적으로 구현하게 된 것과 쉽게 연관된다고 할 수 있다.

Table 4 Metacognitive activity elements expressed by the students.

A: monitoringB: regulationC: evaluationD: planningTotal
Student A895830
Student B364215
Student C552315
Student D1129426
Student E684321
Total23402420107

본 연구에 따르면, 스크래치를 활용한 블록 코딩 기반 수업에서 발견되는 위치와 변위, 속도, 가속도에 대한 학생들의 대표적인 오개념이나 개념적 어려움을 정리하면 물체의 운동을 직각좌표보다 극좌표로 인식하며, 위치와 변위를 혼동하고, 속도를 시간적 변화로만 인식하여 특히 화면전화 시간 간격이 작으면 빠르다고 인식하고, 동적 정보와 정적 정보 사이의 불일치에 대한 인지 갈등을 느낀다는 것을 알 수 있다.

물체의 운동에 대한 이와 같은 개념적 어려움을 극복하기 위한 블록 코딩 활용한 교육은 학습자에게 일반적 개념으로 형성되어 있거나 오개념으로 자리 잡고 있던 운동 관련 개념을 학생 스스로 인지할 수 있게 하고, 지도하는 교사에게는 학생의 개념적 어려움을 짧은 시간 내에 찾아낼 수 있도록 자료를 제공할 수 있다. 그리고 발견된 오개념을 과학적 개념으로 변화시키기 위해서는 적절한 시기에 피드백이 제공되어야 하는데, 블록 코딩을 활용한 수업에서는 학생이 남긴 코딩 자료와 스프라이트의 움직임, 타점 등을 교사와 학생이 함께 관찰하고 분석하면서 이를 가능하게 한다. 또한 학습자는 수업 전반에 걸쳐 주어진 과제를 수행하기 위해 이미 형성되어 있던 개념과 새로 알게 된 개념을 연관시켜 코딩 활동을 하면서 메타인지적 과정이 지속적으로 나타나 개념변화에 영향을 줄 수 있었다.

블록 코딩은 개념간의 갈등을 제시하고 동시에 메타인지적 과정을 촉진하여 이러한 갈등을 해소할 수 있게 하는 도구로써, 그리고 일상생활에서 체험하거나 관찰하기 어려운 동역학적 개념을 시각적으로 표현해주는 도구로써 수업에 활용하기 유익한 프로그램이다. 따라서 블록 코딩과 같이 쉽게 교실에서 도입할 수 있으면서도 학생들의 활동을 기반으로 오개념의 노출과 개념변화 과정을 관찰할 수 있는 방법들이 적극적으로 도입된다면 현대사회에서 요구하는 IT나 4차 산업혁명시대에 기초가 되는 적절한 물리교육의 방향을 찾을 수 있을 것으로 기대된다.

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