npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 461-476

Published online May 31, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.461

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Analysis of Elementary School Students’ Experimental Performance Characteristics and Difficulties in the Inquiry Activities on ‘Temperature and Heat’ Chapter

‘온도와 열’ 단원의 탐구활동에 참여한 초등학생들의 실험 수행 특성 및 어려움 분석

Jung Yun Shin1*, Sangwoo Park2

1Daejeon Donghwa Elementary School, Daejeon 34020, Korea
2Science Education Department, Cheongju National University of Education, Cheongju 28690, Korea

Correspondence to:*55naru@naver.com

Received: January 2, 2024; Revised: February 20, 2024; Accepted: February 27, 2024

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 analyzed the characteristics and difficulties of elementary school students’ experiment processes in inquiry activities related to heat transfer in the ’Temperature and Heat’ unit of the 5th grade elementary school curriculum. After conducting inquiry activities with 12 students from 4th to 6th grade, we collected and analyzed students’ experiment process videos, researcher observation notes, student activity sheets, and post-interview data. The results showed that students encountered difficulties in conducting experiments precisely and interpreting the results to understand the concepts. Additionally, in the experiment on heat transfer in solids, students experienced experimental errors despite the experiment not being particularly difficult or time-constrained, and some students did not fully understand the concept of heat transfer in solids. Based on the research findings, we discussed solutions for addressing difficulties in setting up and operating experimental apparatus, the need for detailed description of experimental procedures for enhancing experimental skills.

Keywords: Experimental performance characteristics, Difficulty in experiment, Temperature and Heat

이 연구에서는 초등학교 5학년 ‘온도와 열’ 단원의 열의 이동에 관련된 탐구활동에서 초등학생들의 실험 수행 과정 특징과 어려움을 분석하였다. 초등학교 4–6학년 학생 12명에게 ‘온도가 다른 두 물질이 접촉할 때 두 물질의 온도 변화’에 관한 탐구활동과 ‘고체에서의 열의 이동’에 관한 탐구활동을 수행하게 한 후, 학생들의 실험 과정 녹화 자료, 연구자 관찰 노트, 학생 활동지, 사후 면담 자료를 수집하여 분석하였다. 연구 결과, 학생들은 ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 실험에서 실험을 정교하게 수행하지 못했고, 실험 결과를 해석하여 개념을 획득하는데 어려움을 나타내었다. 또 ‘고체에서의 열의 이동’ 실험에서는 실험이 어렵지 않고 실험 시간이 부족하지 않았음에도 실험 오류를 나타냈고, 고체에서의 열의 이동에 관한 개념에 도달하지 못한 학생들이 있었다. 연구 결과를 바탕으로 실험 기구의 설치와 조작 과정에서 어려움 해결 방안, 실험 활동에 필요한 세부 과정 서술의 필요성과 서술 방안, 실험 수행 능력 향상을 위한 학습 지도 필요, 그리고 두 탐구활동의 난이도와 과학 개념 이해에서의 문제점과 해결 방안에 대해 논의하였다.

Keywords: 실험 수행 과정 특성, 실험에서의 어려움, 온도와 열

1. 연구의 목적 및 필요성

실험은 자연과학의 고유한 탐구 방법으로, 과학교육과 다른 교과 교육을 구분 짓는 중요한 특징으로 인식될 만큼[1] 과학과 교수·학습에 필수적인 활동이다[2]. 과학교육에서 실험은 과학적 탐구의 본질이자 핵심으로 간주되며[3], 현상을 구체화하고 개념 이해를 도울 수 있다는 측면에서 중시되고 있다. 뿐만 아니라 실험은 학생들에게 과학에 대한 흥미를 증진시키고, 과학의 본성을 이해하며, 탐구능력을 향상시키는데 도움이 된다는 장점이 있다[4, 5]. 이러한 맥락에서 특히 초등학생들에게는 과학 수업에서 감각·운동적 체험과 구체적 사물의 경험을 제공하기 위해 실험 활동이 더욱 요구된다[6].

그럼에도 불구하고 과학 수업에서 이루어지고 있는 실험 활동은 실제 과학자들의 활동이나 과학의 본성을 반영하지 못한다는 점[7], 요리책식 실험 수업이나 확인실험 위주의 구성으로 학생들의 과학적 사고 향상의 기회가 줄어드는 점 등에 대한 비판과 우려가 제기되고 있다[8]. 학생들은 실험 목적이나 실험 과정 이해에 여전히 어려움을 겪고[9], 실험기구 사용법에 대해 제대로 이해하지 못해 실험 수행에 대한 부담을 갖거나 실험 실패에 대한 두려움을 느끼기도 한다[10]. 학생들이 교과서의 의도대로 실험 결과를 얻지 못하는 경우 교사가 시범실험으로 대체하거나 강의 형태로 실험의 결론만을 제시하기도 한다[11].

이에 과학 교과서에 제시된 탐구활동이 과학 수업에서 중요한 역할을 한다. 학교 현장에서는 교과서에 수록되어있는 탐구활동을 중심으로 교사와 학생 간의 상호작용이 이루어지며[12], 탐구 수업이 충실하게 이루어질 수 있는가에 대한 이해 역시 교과서의 탐구활동에 대한 분석에서부터 시작된다[13]. 탐구활동을 통해 학생들은 지식을 구성하는 과정과 방법을 이해할 수 있고, 과학적 방법으로 문제를 해결하고 과학적 소양을 신장시킬 수 있는 기회를 얻게 된다[14]. 따라서 교과서의 학습 주제 및 개념과 관련된 구체적인 탐구활동을 어떻게 구성하느냐의 문제는 매우 중요하며[15], 과학 교과서를 개발할 때도 탐구활동에 대한 평가와 검토가 핵심적으로 다루어진다[16, 17].

교과서 탐구활동의 양호도와 적절성에 대한 평가는 일반적으로 탐구활동 내 사고 과정과 조작 과정이 학생들에게 충분히 쉽고 재미있는가, 과학의 본성을 담고 있는가, 실험 내용은 조작과 관찰이 가능한가, 추리나 논리적 사고에 따라 관련된 과학 개념을 도출할 수 있는가 등으로 평가된다. 이 과정은 여러 현장 교사나 연구자의 의견을 수렴하여 진행하고 있지만, 학생들의 개별, 소집단별, 학급 전체의 활동을 직접 관찰하여 수집한 현장 데이터는 여전히 크게 부족한 상황이다. 선행연구들은 교과서에 제시된 탐구활동의 유형[18], 교육과정과의 연관성[15], 탐구활동 목표[19] 등을 양적으로 단순 비교하는데 그치고 있을 뿐[20] 실제로 학생들이 해당 탐구활동을 수행할 때 어떤 특성을 보이고, 어떤 점을 어려워하는지 미시적으로 분석한 연구 결과는 부족한 실정이다. 교사들이 지도하기 어려워하는 탐구활동의 소재나 예시[21], 탐구활동 과정에서 겪는 학생들의 어려움[22]을 분석한 선행연구도 있지만 학생들이 해당 탐구활동을 왜 어려워하는지, 학년별로 어떤 차이를 보이는지에 대해 면밀히 분석한 연구는 드물다. 따라서 교과서에 제시된 탐구활동에 대한 학생들의 학습 가능성과 어려움을 분석하기 위해 학생들의 실제 실험 활동 장면을 미시적으로 관찰하여 수집한 현장 데이터를 기반으로 한 연구가 절실히 필요하다. 학생들의 실제 실험수행능력에 대한 정보는 교사에게 탐구활동의 선별과 실질적인 탐구 수업지도 능력에 도움을 줄 것이다[9].

한편, 최근 수차례 교육과정 및 교과서가 개정되고 있음에도 불구하고 ‘열의 이동’ 개념과 관련된 성취기준은 2007 개정 교육과정에서부터 지금까지 큰 변화 없이 계속 제시되고 있다. 이 단원은 2007 개정 교육과정에서 4학년 2학기 단원으로 도입되어 ‘전도, 대류, 복사에 의한 열 전달을 설명할 수 있다’, ‘실생활에서 전도, 대류, 복사 현상의 예를 찾을 수 있다’로 전도, 대류, 복사에 의한 열의 전달에 관한 개념 중심으로 전개되었다가[23, 24], 2009 개정 교육과정에서는 5학년 1학기 단원에서 탐구활동 중심으로 전개되면서 온도가 다른 두 물체가 접촉할 때의 열의 이동, 열평형 및 열의 이동과 관련된 예시 찾기 활동이 포함되었다[25]. 2015 개정 교육과정에서는 온도가 다른 두 물체를 접촉할 때 두 물체의 온도 변화 측정하기, 고체 물질의 열전도 빠르기 비교하기를 포함하며, 2022 개정 교육과정에서는 5학년 2학기로 단원 위치가 이동되었고, 열의 이동, 전도, 대류, 복사 현상을 다루게 된다.

열의 이동과 관련된 개념은 일상생활과 밀접한 연관이 있지만[26] 비가시적인 현상을 포함하고 있어[27] 초등학생들이 이해하기 어렵고, 오개념이 형성되기 쉬운 것으로 알려져 있다[28]. 또한 열의 이동을 개념적으로 설명하는 과정에서 초등학교에서 다루지 않는 입자 및 에너지 개념이 관련되므로 ‘열’, ‘열평형’, ‘열의 이동 방법’에 관해 개념적으로 설명하지 않고 현상을 관찰하고 서술하는 방식으로 접근하고 있다. 2015 개정 교육과정에서는 열의 이동뿐 아니라 열의 이동 방식인 전도, 대류의 개념이 함께 포함되어 있고, 2022 개정 교육과정에서도 열의 이동, 전도, 대류, 복사 개념이 성취기준 및 성취기준 해설에 명시되어 있어 추상성이 더 커진 상태이다. 이에 따라 ‘열의 이동’ 단원 내용이 4–6학년의 학습에 적절한지에 대한 학생 탐구활동을 기반으로 한 현장 연구가 필요하다.

따라서 이 연구에서는 2015 개정 교육과정 5학년 1학기 ‘온도와 열’ 단원에서 ‘열의 이동’ 관련 개념을 포함하는 차시의 탐구활동과 개념을 다룬 본문 내용에 대하여 초등학생들의 실험 수행 과정의 특징과 학생들이 겪는 어려움을 사례적으로 분석하였다. 연구 결과로부터 ‘열의 이동’ 관련 교과서 개발 및 교실 수업 지도에 주는 시사점을 논의하였다. 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’와 ‘고체에서 열의 이동 추리하기’에 대한 학생들의 실험 수행 과정의 특징은 어떠한가?

둘째, ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’와 ‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 실험 수행 과정에서 겪는 학생들의 어려움은 무엇인가?

1. 연구 대상

본 연구는 초등학교 4학년–6학년 학생 24명을 대상으로 이루어졌다. ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 탐구활동은 C시에 소재한 K학교 학생 12명이 참여하였고, ‘고체에서 열의 이동 추리하기’는 S시에 소재한 H학교 학생 12명이 참여하였다. 연구 참여자들은 자신의 생각을 충분히 표현할 수 있고, 과학 수업에 적극적으로 참여하는 학생으로 선정하기 위하여 과학 학업성취도에서 중간 이상의 성취를 보이는 학생들로 한정하였다. 각 학생들의 담임교사에게 연구의 취지를 설명하고, 담임교사가 진행한 과학 수업에서의 수행 과정이나 성과물 평가에서 중 또는 상으로 평가된 학생들을 추천받은 후 연구윤리에 관한 절차를 밟아 최종 선정하였다. 연구를 진행할 당시 4학년 학생들은 ‘온도와 열’ 단원을 통해 열의 이동 현상에 대해 학습하지 않은 상태였으며, 5학년과 6학년 학생들은 해당 내용을 이미 학습한 상태였다. 연구 참여자로 선정된 사례들은 무작위 선정이 아니고 사례수가 적기 때문에 대표성을 띠기 어려운 연구 한계를 지닌다. 구체적인 연구 참여자 정보는 Table 1과 같다.

Table 1 Participants.

TopicSchoolNumber of students (person)
Gender4th grade5th grade6th grade
Measure temperature change when two substances of different temperatures in contact (Exp. 1.)K Elementary SchoolFemale24312
Male201
Observe and infer heat transfer in solids (Exp. 2.)H Elementary SchoolFemale42412
Male020


2. 실험 과제 선정

본 연구에서는 2015 개정 교육과정에 따른 5학년 1학기 국정 교과서 ‘온도와 열’ 단원에 있는 ‘온도가 다른 두 물질이 접촉하면 두 물질의 온도는 어떻게 변할까요’ 차시와 ‘고체에서 열은 어떻게 이동할까요’ 차시에 제시된 탐구활동을 실험 과제로 선정하였다(Fig. 1 & Fig. 2).

Figure 1. (Color online) The activity topic of Experiment 1.

Figure 2. (Color online) The activity topic of Experiment 2.

첫 번째 실험의 목적은 온도가 다른 두 물질이 접촉할 때 나타나는 두 물질의 온도 변화를 측정하는 것이다. 학생들은 차가운 물이 담긴 음료수 캔을 따뜻한 물이 담긴 비커에 넣은 후 알코올 온도계 두 개를 스탠드에 매달아 음료수 캔과 비커에 각각 넣어야 한다. 그 후 1분마다 음료수 캔과 비커에 담긴 물의 온도를 측정해 온도가 다른 두 물질이 접촉하면 따뜻한 물질의 온도는 점점 낮아지고, 차가운 물질의 온도는 점점 높아짐을 관찰해야 한다. 이를 바탕으로 두 물질이 접촉한 채로 시간이 지나면 두 물질의 온도는 같아짐을 예상할 수 있어야 하며, 접촉한 두 물질의 온도가 변하는 까닭은 열이 온도가 높은 물질에서 온도가 낮은 물질로 이동했음을 추리할 수 있어야 한다.

두 번째 실험의 목적은 고체에서의 열의 이동을 추리하는 것이다. 학생들은 열변색 붙임딱지가 붙여진 길게 자른 구리판, 정사각형 구리판, C모양 구리판의 한쪽 끝부분을 가열하면서 열변색 붙임딱지의 색깔 변화를 관찰해야 한다. 이를 통해 고체 물질의 한 부분을 가열하면 그 부분의 온도가 높아진다는 것, 온도가 높아진 부분에서 주변의 온도가 낮은 부분으로 열이 이동한다는 것을 추리할 수 있어야 하며, 결론적으로 고체에서 열은 고체 물질을 따라 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동함을 추리할 수 있어야 한다.

3. 자료 수집

학생들의 실험 수행 능력을 분석하기 위해 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석, 개념 이해 과정에서의 학생들의 반응과 어려움에 대한 자료를 수집하였다. 이를 위해 각 학생에게 교과서 해당 차시의 탐구활동을 개별적으로 수행하게 하였다. 학생들은 탐구활동 내용을 충분히 읽은 후 교과서에 제시된 방법에 따라 실험 장치를 만들고, 실험 순서에 따라 실험을 수행하였다. 또 관찰하거나 측정한 실험 결과를 분석하고 해석하여 학습지에 기록하도록 하였다. 학생들의 활동을 돕기 위하여 준비한 학습지는 2015 개정 초등 과학 국정 실험 관찰 책에 제시된 내용을 수정하여 작성한 것이다(Fig. 3).

Figure 3. (Color online) Worksheet to record the results of an experiment.

학생들이 실험하는 동안 자신의 생각을 말로 표현하게 하는 사고 발성(Think-Aloud) 방법을 요구하였다. 실험 수행 중에 필요하다면 학생들이 언제든지 교과서를 다시 볼 수 있게 하였고, 학습지 기록도 학생이 원하는 시간에 자유롭게 할 수 있도록 하였다. 학생이 실험을 완료했음을 알리면 교사는 학생과 함께 녹화된 영상을 보면서 실험 수행 과정에서의 어려웠던 점이나 특정 행동에 대한 이유 등을 논의하는 반구조화된 면담을 진행하였다(Table 2).

Table 2 Semi-structured interview questions.

CategoryInterview questions
Difficulty in conducting experimentsWhich part (process) was difficult during the experiment?
Why was it difficult and how did you solve it?
Difficulty in understanding the experimental processWhen you read the experiment process, was there anything you didn't understand?
What specifically did you not understand and how did you solve it?
Difficulties in writing experimental resultsWere there any difficulties in writing the results of the experiment on the worksheet?
Why was it difficult and how did you solve it?
Difficulties in interpreting experimental resultsWhat is the conclusion of this experiment?
What was the difficulty in interpreting the experimental results?


연구를 위한 자료로 학생들의 탐구활동을 촬영한 동영상, 실험에 대한 교사-학생의 면담을 녹음한 음성 및 면담지, 학생 탐구활동을 관찰한 교사 관찰 기록장, 그리고 학생들이 작성한 실험 학습지를 수집하였다. 학생 탐구활동의 촬영은 각 학교의 교실 또는 과학실에서 이루어졌으며, 교사는 학생의 실험 수행에 최소한의 도움을 주고 동영상 촬영과 학생 탐구활동을 관찰하며 기록하기 위해 참여하였다. 각 학생의 동영상 촬영은 학생에 따라 20–40분간 이루어졌으며, 동영상 촬영 자료와 면담 자료는 사후에 대화 내용을 전사하였다. 실험 학습, 행동 촬영 및 면담 등의 모든 과정은 연구 참여자의 동의를 받아 이루어졌다.

4. 자료 분석

개별 학생들의 탐구활동에서의 학생 행동에 대한 동영상 자료, 사후 면담에 대한 녹음 자료, 교사 관찰 기록, 학습지 기록 내용을 분석하였다. 학생들의 실험 수행 능력과 탐구활동을 수행할 때 보이는 실험 수행 과정의 행동 특성 및 어려움을 분석하기 위해 선행 연구[9]를 참고하여 Table 3과 같이 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석, 개념 설명 과정으로 구성된 실험 수행 능력 분석 틀을 개발하였다. 분석 틀을 개발할 때는 과학교육전문가 2인과 초등과학교육 전공 대학원생 3인이 참여하는 정기적인 연구 모임에서 여러 차례 논의하여 수정하였으며, 과학교육전문가 1인에게 내용 타당도를 의뢰하여 검증받았다.

Table 3 Experimental performance analysis framework.

Experiment TopicEvaluation content
Measure temperature change when two substances of different temperatures in contactExperimental setupE51. Install the stand.
E52. Place the metal can filled with cold water into the beaker containing warm water.
E53. Place two alcohol thermometers in a metal can and a beaker and hang them on a stand.
Performing experimentE54. Before measuring the time, measure the initial temperature of the cold and warm water.
E55. Time is measured every minute.
E56. Measure the temperature of the water in the can and beaker every minute.
E57. Record the measured temperature accurately in the experiment workbook.
Interpretation of experimental resultsI51. Based on the experimental results, when two substances of different temperatures come into contact, the temperature of the warm substance gradually decreases and the temperature of the cold substance gradually increases. (induction)
I52. Explain that as time passes while the two materials are in contact, the temperatures of the two materials become the same. (extrapolation)
Understanding Science ConceptsC51. Based on the results of the experiment or interpretation of the results, explain that the reason the temperature of two substances in contact changes is due to heat transfer (concept introduction)
C52. Explain that between two substances in contact, heat moves from the substance with a higher temperature to the substance with a lower temperature (applying the concept)
Observe and infer heat transfer in solidsExperimental setupE61. Install the stand and fixing clamp ring.
E62. Set up a long cut copper plate on a stand, light a candle and place it in the appropriate position under the end of the copper plate.
E65. Set up a square copper plate on a stand, light a candle and place it in the appropriate position under one end of the copper plate.
E68. Set up a C-shaped copper plate on a stand, light a candle and place it in the appropriate position under one end of the copper plate.
Performing experimentE63. Observe the color change of the heat detection sticker while heating one end of a long cut copper plate.
E64. Accurately record the phenomenon that appears on the long cut copper plate in their workbook.
E66. Observe the color change of the heat detection sticker while heating one end of a square copper plate.
E67. Accurately record the phenomenon that appears on the square copper plate in their workbook.
E69. Observe the color change of the heat detection sticker while heating one end of a C-shaped copper plate.
E6a. Accurately record the phenomenon that appears on the C-shaped copper plate in their workbook.
Interpretation of experimental resultsI61. Based on the experimental results, it is inferred that when one part of a solid material is heated, the color of the heat detection sticker changes and the temperature of that part increases.
I62. Based on the experimental results, infer the direction of heat transfer from the color change of the heat detection sticker.
I63. Students state or record that heat moves from a high temperature to a low temperature in a solid.
Understanding Science ConceptsC61. Explain that in solids, heat moves through a solid material.


학생들의 실험 수행 능력을 분석하기 위해 실험 수행 능력 분석 틀을 이용해 실험 장치의 설치 및 실험 수행, 결과 해석, 개념 이해를 포함한 탐구활동에서 학생들의 실험 수행이 적절했는지를 평가하였다. 학생들이 실험을 수행할 때 적절하게 측정하거나 관찰했다면 ‘O’, 실험 장치 설치나 실험하는데 어려움이 있거나 실험 오차가 있는 경우 ‘△’, 실험에서 타당한 결과를 얻지 못했거나 스스로 포기했을 경우 ‘X’로 표시하였다. 실험 결과를 해석하는 과정에서는 학생들이 가지는 오개념 때문에 타당한 결과 해석 및 추리를 잘하지 못할 경우 오개념을 나타내는 misconception을 의미하는 MC를 표시하였고, 실험 결과보다는 이미 학습한 내용을 기억하여 그대로 답하는 경우 pre-knowledge를 의미하는 PK로 표시하였다.

또한 학생들이 탐구활동을 할 때 어려움이 있는 경우에 어려움의 구체적인 것을 분석하고 어려움의 원인을 탐색하였다. 사후 면담을 전사한 자료와 수집된 학생의 활동지는 모두 문서화 하였고, 연구자의 관찰 노트와 학생의 실험 수행 과정 녹화본을 함께 분석하여 실험 수행 과정에서 나타나는 어려움과 특징적인 장면을 추출하였다. 수집된 자료의 다각화를 통해 연구에서의 신뢰도와 타당도를 확보하였다. 여러 자료의 분석을 위해 연구자 2인은 각각 1차와 2차 분석을 두 차례 진행한 후 이를 상호 비교하였고, 과학교육 전문가의 사후 검토를 받아 신뢰도를 확보하였다. 일치하지 않는 분석 결과에 대해서는 함께 논의하고 검토하였다(평가자 간 일치도 0.90).

1. ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 탐구활동에 대한 초등학생들의 실험 수행 과정의 특징 및 어려움 분석

1) 실험 수행 과정 분석

‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 탐구활동은 뜨거운 물을 넣은 금속 캔을 차가운 물이 든 비커에 넣은 후 시간이 지남에 따라 두 물의 온도를 측정하고, 이를 바탕으로 열의 이동 개념을 도출하는 것이다. 이 탐구활동에 대해 학생들이 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석, 개념 이해 과정을 적절하게 진행하였는지를 평가하여 정리한 것은 Table 4와 같다.

Table 4 Analysis of students’ responses according to the experimental process.

TopicMeasure temperature change when two substances of different temperatures in contact
Analysis of exploratory activity contents and results4th5th6th
4A4B4C4D5E5F5G5H6I6J6K6L
Experimental setupE51. Install the stand.O×OOOOO
E52. Place the metal can filled with cold water into the beaker containing warm water.OOOO
E53. Place two alcohol thermometers in a metal can and a beaker and hang them on a stand.×OOO
Performing experimentE54. Before measuring the time, measure the initial temperature of the cold and warm water.OO×O××××××O
E55. Time is measured every minute.×××O××××O×OO
E56. Measure the temperature of the water in the can and beaker every minute.×××××××O×OO
E57. Record the measured temperature accurately in the experiment workbook.×××××××O×OO
Interpretation of experimental resultsI51. Based on the experimental results, when two substances of different temperatures come into contact, the temperature of the warm substance gradually decreases and the temperature of the cold substance gradually increases. (induction)MCOOOOOOOOOO
I52. Explain that as time passes while the two materials are in contact, the temperatures of the two materials become the same. (extrapolation)×××××PKPKPKPKOOO
Understanding Science ConceptsC51. Based on the results of the experiment or interpretation of the results, explain that the reason the temperature of two substances in contact changes is due to heat transfer (concept introduction)MC××MC×××MC×MCOMC
C52. Explain that between two substances in contact, heat moves from the substance with a higher temperature to the substance with a lower temperature (applying the concept)××××××××O×O×

- O: Experiment while reducing measurement error

- △: Measurement is difficult and there are measurement errors

- ×: Fail experiment or give up

- PK: Organize results with pre-learned knowledge without using experiment results

- MC: Failure to explain or misconceptions based on experimental results



연구 참여자 12명 중에 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석 및 개념 이해 단계를 온전하게 수행한 학생은 6학년 학생 1명뿐이었다. 나머지 학생들은 실험 장치의 설치, 실험 수행, 실험 결과의 해석, 과학 개념 이해 단계에서 부분적 또는 전체 과정을 적절하게 수행하지 못했다.

실험 장치를 설치하는 과정에서 스탠드와 링을 단단히 조립하고, 차가운 물이 든 금속 캔을 따뜻한 물이 든 비커에 똑바로 세운 뒤, 두 온도계의 액체샘이 찬물과 따뜻한 물에 충분히 잠기도록 설치하는 3가지 과정을 모두 적절하게 조작한 학생은 6학년 학생 1명뿐이었다. 스탠드와 링을 조립하는 과정은 고학년조차도 절반 가량의 학생들이 단단히 조립하지 못했다. 차가운 물이 든 금속 캔을 따뜻한 물이 든 비커에 똑바로 세워 넣는 조작은 5학년 1명과 6학년 3명만이 정확하게 수행했고, 금속 캔과 비커에 넣은 물에 온도계의 액체샘이 충분히 잠기게 한 뒤 온도계를 스탠드에 고정하는 조작에서는 5학년 1명과 6학년 2명 만이 정확하게 수행하였다.

실험 수행 단계에서 교사의 도움 없이 학생 스스로 실험을 적절하게 수행한 학생은 6학년 학생 1명뿐이었다. 학생들 중 4학년 2명, 5학년 1명, 6학년 1명의 학생만이 차가운 물과 따뜻한 물의 초기 온도를 측정하였고, 1분마다 시간과 두 온도계에 나타난 온도를 정확하게 측정하여 기록하는 학생은 6학년 3명뿐이었다. 4학년과 5학년 학생들은 시간에 따른 온도 변화를 적절하게 측정하고 기록하지 못했다.

결과 해석 단계에서 4학년 2명의 학생을 제외한 학생 10명이 실험 결과에 기초하여 온도가 다른 두 물질이 접촉하면 따뜻한 물질의 온도는 점점 낮아지고 차가운 물질의 온도는 점점 높아짐을 귀납할 수 있었다. 하지만 두 물질이 접촉한 채로 시간이 지나면 두 물질의 온도는 같아짐을 말할 수 있는 학생은 6학년 3명뿐이었다. 4학년 4명과 5학년 1명의 학생은 전혀 외삽하지 못했고, 이미 해당 주제에 대해 수업을 받은 5학년 학생 3명과 6학년 학생 1명은 실험 결과를 사용하지 않고 사전 학습된 지식으로 결과를 정리하였다.

개념 이해 단계에서 실험 결과나 결과 해석을 바탕으로 접촉한 두 물질의 온도가 변하는 이유는 열의 이동 때문이라는 개념을 이해하고, 접촉한 두 물질 사이에서 열은 온도가 높은 물질에서 온도가 낮은 물질로 이동한다는 것을 설명할 수 있는 학생은 6학년 1명뿐이었다. 다른 학생들은 교과서에 서술된 내용을 읽었지만 그 의미를 상세히 설명할 수 있는 학생은 없었다.

2) 실험 수행 과정에서 겪는 어려움 분석

초등학생들이 ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 탐구활동을 수행하는 과정 중 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석, 개념 이해의 각 단계에서 여러 가지 어려움이 나타났다. 학생들이 겪은 실험에서의 어려움은 개별적인 것도 있었지만 공통적인 측면을 분석하여 정리하면 다음과 같다.

2-1) 스탠드와 링 사용의 어려움

물질의 온도를 측정할 때는 온도계를 보는 학생의 눈의 높이에 따라 온도 측정에 오차가 생길 수 있으며, 온도계를 손으로 직접 잡으면 온도 차이가 생길 수 있기 때문에 온도계는 스탠드에 고정시켜 측정해야 한다. 실험실에서 스탠드는 기둥, 나사, 고리 등이 해체되어 따로 보관되는 경우가 많아 실험마다 실험 스탠드를 조립하고 실험 장치를 꾸며야 한다. 이 탐구활동에서도 스탠드 받침, 기둥, 나사, 고리를 조립하여 온도계를 걸 수 있는 스탠드 장치를 설치해야 한다.

학생들 중 4학년 3명, 5학년 1명, 6학년 2명의 학생들은 스탠드 장치를 옳게 설치하였다. 하지만, 6학년 2명과 5학년 3명 학생들은 스탠드 받침에 세운 기둥의 나사를 단단히 죄어 움직이지 않게 해야 했음에도 이를 소홀히 하여 스탠드 기둥이 흔들리는 채로 실험했고, 고정 나사가 링을 단단히 죄어주지 못해서 실험 도중 링이 수평이 되지 않거나 한쪽으로 기울어 돌아가는 문제도 발생했다. 이 때문에 매번 온도계를 읽을 때마다 온도계와 링을 고정시키느라 실험에 집중하지 못하는 상황이 발생하였다.

2-2) 금속 캔을 비커의 물속에 넣어 설치하는 과정의 어려움

뜨거운 물이 담긴 금속 캔을 차가운 물이 담긴 비커에 넣는 과정에서 학생들은 금속 캔에 물을 적게 넣어 금속 캔이 물 위에 떠서 흔들리거나 기울어지는 문제점이 발생했다. 이 과정에서 캔에 넣은 온도계나 캔 밖에 설치한 온도계가 캔 벽면에 닿았는데도 이 문제점이 발생한 학생들 중 대부분은 캔을 똑바로 세우기 위해 실험 장치를 다시 꾸미지 않았다. 일부 학생들은 온도계를 손으로 잡아 캔 벽면에 닿지 않도록 했지만, 캔에 물을 더 넣어 캔을 똑바로 세우려고 시도하지는 않았다.

2-3) 온도계의 높이 및 수평 위치 조정의 어려움

이 실험에서는 비커의 수면 위치와 비커 속에 넣은 금속 캔에서의 수면 위치가 달라서 나란히 설치한 두 온도계의 높이가 달라야 뜨거운 물과 차가운 물의 온도를 쉽고 정확하게 측정할 수 있다. 이 과정에서 대부분의 학생은 비커 속에 온도계의 액체샘이 잠김을 확인했지만, 금속 캔 속에는 온도계가 물 속에 충분히 잠기는지 확인하지 않았고 5학년 한 학생과 6학년 두 학생만이 온도계를 물 속에 잠기게 하면서 온도계의 높이가 달라짐을 언급하였다. 학생들은 링에 건 온도계의 간격을 조절하지 못해 온도계가 캔이나 비커 바닥에 닿은 채 온도를 측정했다. 또한 온도계를 손으로 잡고 측정하는 등 온도계 사용에 미숙한 모습을 보이기도 했다. 실험 장치를 정교하게 설치하지 못한 학생들의 구체적인 예시는 Fig. 4와 같다.

Figure 4. (Color online) An example of failure to set up the experimental equipment precisely. (a) The can is tilted so the thermometer outside the can touches the can wall. (b) Thermometer outside the can touches the can wall. (c) Measure the temperature by holding the thermometer in their hand.

2-4) 일정한 시간마다 물의 온도를 측정하지 못하는 어려움

시간에 따른 물질의 온도 변화를 측정하기 위해서는 실험을 시작하기 전(0초)에서 물질의 온도를 기록한 뒤 일정한 시간이 지남에 따라 물질의 온도를 지속적으로 측정하고 기록해야 한다. 학생들은 매 1분마다 따뜻한 물의 온도와 차가운 물의 온도를 측정하여 활동지에 기록해야 하는데, 이 과정에서 어려움을 겪는 학생들이 있었다.

학생들이 보인 구체적인 오류 행동은 크게 세 가지로 분류되었다. 첫째로는 따뜻한 물과 차가운 물을 서로 접촉시킨 뒤 맨 처음 온도 측정할 때까지의 시간이 지나치게 지연되는 점이었다. 4학년 학생 3명과 5학년 학생 1명, 6학년 학생 3명은 따뜻한 물과 차가운 물을 접촉시킨 뒤 1분이 지나서야 ‘시간 0분일 때의 온도’를 읽었다. 이로 인해 따뜻한 물과 차가운 물 사이의 열 교환이 상당히 이루어지는 동안 온도 변화를 정확하게 기록하지 못했다. 둘째로는 학생들이 온도를 측정하는 동안 초시계를 일시 정지시켰다. 4학년 1명, 5학년 3명, 6학년 2명은 따뜻한 물과 차가운 물의 온도를 측정하는 동안 초시계를 일시 정지시켰다. 이 학생들이 온도를 측정하는데 걸리는 시간이 6–20초 정도로 길었는데, 이로 인해 1분마다 온도 측정 시각이 지연되고 측정 간격도 일정하지 않았다. 학생들은 실험 후 면담할 때까지도 시간 측정에서 잘못이 있었음을 인식하지 못했다. 셋째로는 학생마다 온도계의 눈금을 읽는 시간이 지나치게 길었다. 4학년 3명과 5학년 2명, 6학년 1명은 온도계 두 개의 온도를 읽는데 20초 이상이 걸렸다. 온도 측정 시간이 길어진 이유는 두 온도계의 눈금이 향하는 방향이 일치하지 않았거나 눈금을 읽는 높이가 일정하지 않았기 때문이었다. 물론 실제 교실 실험에서는 이 차시의 실험을 모둠 활동으로 진행하도록 하고 있고, 모둠 학생들이 역할 분담을 하여 서로 다른 학생이 초시계나 온도계 측정을 하여 개인별 부담이 줄어든다. 그러나 이 점을 고려하더라도 1분마다 방향과 높이가 다른 알코올 온도계 두 개의 온도를 측정하는 실험은 4학년과 5학년 학생들에게 매우 부담스러운 활동임을 알 수 있다.

2-5) 실험 결과 해석 과정에서의 어려움

교사는 따뜻한 물과 차가운 물이 든 캔과 비커를 접촉할 때 시간에 따른 각 물의 온도 변화를 측정한 학생들에게 실험 결과로부터 온도 변화가 나타내는 의미를 해석해 보도록 하였다. 5학년과 6학년 학생 모두와 4학년 2명은 시간에 따른 온도 변화로부터 결론을 잘 귀납하여 설명하였다. 4학년 2명은 두 물의 온도 차이만 말하거나 따뜻한 물의 온도 변화만 말하여 두 물의 온도 변화를 정확하게 말하지 못했다.

교사가 두 물질이 접촉한 채로 시간이 지나면 두 물질의 온도는 같아질 것으로 예상할 수 있는지 물었을 때, 참여한 학생 중 6학년 3명만 실험 결과를 바탕으로 두 물질의 온도가 같아질 것으로 예상하였다. 5학년 3명과 6학년 1명은 실험 결과를 바탕으로 하지 않고, 각자 수업에서 배운 지식을 사용하여 대답하였다. 특히 5학년 5G학생은 자신의 실험 결과에서는 시간이 지나도 온도가 같아지지 않을 것 같았지만, 과학 수업에서 배웠기 때문에 시간이 지나면 두 물질의 온도는 같아진다고 답했다. 4학년은 대부분 학생들이 시간이 오랫동안 지나면 두 물질의 온도가 어떻게 될지 응답하지 못하였다. 이를 통해 실험 결과를 바탕으로 외삽을 하는 데 어려움이 있음을 알 수 있다.

2-6) 열의 이동 추리의 어려움

교과서에서는 탐구활동의 실험 결과 온도가 다른 물을 접촉하게 한 후 시간이 지남에 따라 따뜻한 물은 온도가 내려가고 차가운 물은 온도가 올라갔는데, 접촉한 두 물질의 온도가 변하는 까닭을 열의 이동 때문이라고 설명한다. 하지만 학생들이 스스로 이 과정을 추리하기는 어려웠다. 이 개념을 학습한 5학년과 6학년 학생조차도 열이 이동하는 것에 대한 개념이 명확히 형성되어 있지 않았다. 열의 이동을 정확하게 이해하여 설명한 학생은 6학년 6K학생 뿐이었다. 대부분의 학생들이 실험 결과 해석으로부터 열의 이동 개념을 추리하지 못했고, 접촉한 두 물질 사이에서 열은 온도가 높은 물질에서 온도가 낮은 물질로 이동함을 설명하지 못했다.

2. ‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 탐구활동에 대한 초등학생들의 실험 수행 과정의 특징 및 어려움 분석

1) 실험 수행 과정 분석

‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 탐구활동은 앞 차시에서 학습한 열의 이동 개념을 확장하여 고체, 특히 열이 잘 이동하는 금속에서는 열이 금속을 따라 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며, 이를 ‘전도’라고 함을 이해하는 것을 목표로 한다. 이 탐구활동에 대해 학생들이 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석, 개념 이해 과정을 적절하게 진행하였는지를 평가하여 정리한 것은 Table 5와 같다.

Table 5 Analysis of students’ responses according to the experimental process.

TopicObserve and infer heat transfer in solids
Analysis of exploratory activity contents and results4th5th6th
4M4N4O4P5Q5R5S5T6U6V6W6X
Experimental setupE61. Install the stand and fixing clamp ring.
E62. Set up a long cut copper plate on a stand, light a candle and place it in the appropriate position under the end of the copper plate.OOOOOO
E65. Set up a square copper plate on a stand, light a candle and place it in the appropriate position under one end of the copper plate.OOO
E68. Set up a C-shaped copper plate on a stand, light a candle and place it in the appropriate position under one end of the copper plate.OO
Performing experimentE63. Observe the color change of the heat detection sticker while heating one end of a long cut copper plate.OOOOO
E64. Accurately record the phenomenon that appears on the long cut copper plate in their workbook.OOO×OO
E66. Observe the color change of the heat detection sticker while heating one end of a square copper plate.OOOOO
E67. Accurately record the phenomenon that appears on the square copper plate in their workbook.O×OO×OO
E69. Observe the color change of the heat detection sticker while heating one end of a C-shaped copper plate.O×OO
E6a. Accurately record the phenomenon that appears on the C-shaped copper plate in their workbook.O×OOOO
Interpretation of experimental resultsI61. Based on the experimental results, it is inferred that when one part of a solid material is heated, the color of the heat detection sticker changes and the temperature of that part increases.OOOOOOOOOOO
I62. Based on the experimental results, infer the direction of heat transfer from the color change of the heat detection sticker.OOOOOOOOOOOO
I63. Students state or record that heat moves from a high temperature to a low temperature in a solid.O×O×OOOOOO
Understanding Science ConceptsC61. Explain that in solids, heat moves through the solid material.O×O×O×××OOOO


이 실험은 ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 탐구활동과 비교하여 수행하기 까다로운 과정은 없었지만, 학생들이 실험을 정교하게 수행하지 않았기 때문에 세 가지 모양의 구리판을 가열할 때 열변색 붙임딱지의 색깔이 변하는 모습을 충분히, 정확하게 관찰하고 기록한 학생은 많지 않았다. 정확한 관찰과 기록을 한 학생은 4학년 1명, 5학년 1명, 6학년 2명이었다. 또한, 실험 결과를 바탕으로 구리판에서의 열의 이동에 대해 적절하게 설명한 학생은 4학년 2명, 5학년 1명, 6학년 4명이었다.

실험 수행 단계에서는 스탠드와 고정집게링을 설치하는 것을 모든 학생들이 잘하지 못했다. 양초를 구리판 끝 아래 적절한 위치에 놓는 조작에서는 6학년 학생들은 모두 정확하게 수행했지만 4학년과 5학년 일부 학생들은 오류를 보였다. 세 가지 모양의 구리판의 한쪽 끝을 각각 가열하면서 열변색 붙임딱지의 색깔 변화를 관찰하고, 학습지에 기록할 때도 5학년 학생 1명을 제외한 학생 대부분이 부분적인 오류를 보였다. 결과 해석 단계에서는 학생 대부분이 고체 물질의 한 부분을 가열하면 열변색 붙임딱지의 색깔이 변화하면서 그 부분의 온도는 높아진다는 것과 열변색 붙임딱지의 색깔 변화로부터 열이 이동하는 방향에 대해 실험 결과에 기초하여 정확하게 추리할 수 있었다. 그러나, 고체에서 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동함을 말하거나 기록하지 못한 학생이 4학년 2명, 5학년 1명, 6학년 1명 있었다. 개념 이해 단계에서 6학년 학생들은 모두 고체 물질에서 열은 고체 물질을 따라 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동함을 설명할 수 있었지만, 4학년과 5학년 일부 학생들은 응답하지 못하거나 오개념을 갖고 있었다.

2) 실험 수행 과정에서 겪는 어려움 분석

초등학생들이 ‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 탐구활동을 수행하는 과정 중 겪은 실험에서의 공통적인 어려움을 분석하여 정리하면 다음과 같다.

2-1) 스탠드, 집게잡이, 고정집게 사용의 어려움

이 실험에서도 6학년 한 학생을 제외한 모든 학생들이 스탠드, 집게잡이, 고정집게를 사용할 때 어려움을 겪었다. 특히 스탠드 기둥의 나사를 단단히 죄어 움직이지 않게 해야 함을 모른 채 기둥이 흔들리는 채로 실험하는 경우가 많았는데, 이는 집게잡이로 고정집게를 고정하기를 어려워했거나 실험 중 집게가 자주 느슨해지는 것이 원인으로 작용하였다. 특히 고정집게로 사각형 구리판, 일자형 구리판, C자형 구리판을 집기 불편해하였다. 4학년 학생 두 명은 구리판을 제대로 집지 못해 Fig. 5와 같이 구리판을 수평으로 만들지 않은 채 기울어진 상태로 실험하였다.

Figure 5. (Color online) Experiment with a tilted copper plate.

2-2) 구리판의 색깔 변화를 충분히 관찰하지 않았음

학생들은 구리판의 색깔 변화를 충분히 자세히 관찰하지 않았으며, 실험 결과를 자세히 기록하지 못하였다. 일부 학생들은 구리판에서 거리가 10cm 이상 떨어진 수직 아래에 양초를 놓고 구리판을 가열함으로써 구리판을 충분히 가열하지 않았고 구리판의 1/3 정도만 색깔이 변했을 때 실험 결과를 기록하였다. 또한 구리판 열변색 붙임딱지의 색깔이 변하는 즉시 실험을 마친 학생(4P, 5Q, 5S, 6V)도 있었다. Table 6에서 볼 수 있듯, 이 탐구활동을 할 때 5–6학년 학생들은 평균 10–14분에, 4학년 학생들은 평균 15–20분 내외로 실험을 마쳤다. 하지만 실험 결과를 충분히 관찰하지 않은 학생의 경우 실험 시간이 현저하게 짧은 것을 확인할 수 있다.

Table 6 Experiment performance elapsed time per student.

Student4th5th6th
Experiment performance elapsed time (min:sec)4M4N4O4P5Q5R5S5T6U6V6W6X
8:2020:2010:5014:106:1512:0012:1012:0010:407:5013:1013:00


2-3) 고체에서 열의 이동 방법에 대한 추리에서의 어려움

실험을 정확하게 수행하지 않았음에도 불구하고, 학생들은 실험 결과를 정성적이었지만 비교적 명확하게 해석했다. 4학년 4N 학생을 제외하고 모든 학생들은 고체 물질의 한 부분을 가열하면 열변색 붙임딱지의 색깔이 변화하면서 그 부분의 온도는 높아짐을 추리할 수 있었고, 열변색 붙임딱지의 색깔 변화로부터 열이 이동하는 방향을 정확하게 추리하였다. 관찰 결과를 바탕으로, 고체에서 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다는 과학 개념을 4학년 2명, 5학년 3명, 6학년 3명이 올바르게 추리하였다. 열의 이동 방법을 올바르게 추리하지 못한 학생들은 열이 차가운 곳에서 따뜻한 곳으로, 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동한다고 응답하였는데, 이들은 실험을 제법 잘 해냈지만 열의 이동의 의미는 이해하지 못한 것으로 보인다. 열이 금속 물질을 따라 이동함까지 타당하게 설명한 학생은 4학년 2명과 6학년 4명이었는데, 이를 추리하지 못한 학생들은 ‘열이 온도를 따라 이동한다.’, ‘열이 차가운 곳을 따라 이동한다.’, ‘열이 열을 따라 이동한다.’ 등으로 서술하였다. 이 학생들은 실험 후 면담에서 교사의 도움을 받아 고체에서의 열의 이동 방법을 옳게 수정하여 말할 수 있었다.

3. 논 의

2015 개정 과학과 교육과정에서는 학생 중심의 탐구학습을 강조하고 있으며, 해당 교육과정에 따라 개발된 국정 교과서에서도 학생의 자기주도학습과 학생 중심 참여형 수업을 지원하도록 개발되었다[29]. 그러나 본 연구 결과, 연구에 참여한 초등학생들은 ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 실험에서 실험을 정교하게 수행하지 못했고, 실험 결과를 해석하여 개념을 획득하는데 어려움을 나타내었다. 또 ‘고체에서의 열의 이동’ 실험에서는 실험이 어렵지 않고 실험 시간이 부족하지 않았음에도 학생들은 실험을 정교하고 수행하거나 구리판의 색깔 변화를 충분히 관찰하지 않았으며, 고체에서의 열의 이동에 관한 개념에 도달하지 못한 학생들이 있었다. 실험 수행 전체 과정에서의 학생들의 어려움에 대해 다음과 같이 논의해 보았다.

1) 실험 기구의 설치와 조작에서의 어려움과 해결 방안

‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’와 ‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 탐구활동에 공통으로 사용된 스탠드 관련 실험 기구는 Table 7과 같다.

Table 7 Experimental equipment used in exploratory activities.

Experimental equipmentFunctionProblems in use
Steel stands and pillarsSupports for installing and supporting experimental equipmentPillar is unstable due to poor attachment to support.
Clamp grabber (square holder)An auxiliary device for supporting a fixing tong or ring by inserting it into a standClamp doesn't secure tightly, frequently becomes loose.
Fixed clamp (clamp)An auxiliary device that fixes experimental equipment in an appropriate position.4th and 5th grade students struggle with screw manipulation. Rubber tongs make lifting plate difficult.
RingAn auxiliary device that fixes experimental equipment in an appropriate position.School lacks rings of various lengths and sizes.


두 실험에서 학생들이 겪은 가장 큰 어려움은 스탠드를 단단히 조립하기 힘들었고 스탠드와 고정집게 등이 다른 실험 기구를 안정하게 고정하지 못했기 때문에 발생하였다. 스탠드 받침대와 기둥 사이의 나사와 집게잡이 나사를 죄어도 실험 중에 쉽게 헐거워졌으며 고정집게의 너트는 너무 빡빡하여 4–5학년 학생들이 고정집게로 구리판이나 막대를 고정하기 힘들었다. 이는 ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 실험에서 온도계의 위치를 적절하게 조절하지 못하거나 자꾸 흔들려 온도 측정 시간이 오래 걸린 원인이 된 것으로 판단된다. 또 고정집게의 고무로 된 부분은 구리판을 단단히 집기에 적절하지 않았다. 학생들이 여러 모양의 구리판을 수평으로 놓지 못한 채 실험한 이유도 고정집게를 자유로이 사용하여 고정시키지 못하였기 때문이었다. 따라서 스탠드, 링, 고정집게 등과 같이 나사를 사용하는 실험기구는 초등학생의 신체 기능 상태에 맞는 간단한 실험 기구로 대체될 필요가 있다.

‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 실험에서는 학생 대부분이 온도계를 올바로 설치하지 못했다. 우선 금속 캔을 비커 안에 똑바로 세우지 못했고, 찬물이 든 금속 캔을 따뜻한 물에 똑바로 넣지 못했으며, 온도계 액체샘이 물속에 잠기지 않거나 금속 캔이나 비커 옆면에 닿았다. 그 결과 학생들은 온도를 정확하게 측정하지 못했으며, 1분마다 온도를 측정하는 시간이 오래 걸리는 등 부실한 실험의 원인이 되었다. 이 실험에서 알코올 온도계의 사용은 초등학생에게 실험 과정을 복잡하게 하고 불편하게 하지만, 정작 온도를 정확하게 읽는 데 도움을 주지 못했다.

초등학생이 경험하는 일상생활에서는 대부분 디지털 온도계를 사용하고 있어 초등학생에게 일상적인 온도계는 디지털 온도계이다. 이 실험의 목적은 시간에 따른 온도 변화를 측정하여 열의 이동 개념과 연결하는 활동이므로, 알코올 온도계 대신 디지털 온도계를 사용하면 실험 난이도가 크게 줄어들 것으로 판단된다. 이미 2015 개정 교육과정 중학교 과학 교과서나 초등학교 과학 검정교과서에서 디지털 온도계를 사용하는 교과서가 있으므로 초등학교에서도 탐침형 디지털 온도계를 사용하는 것을 교과서 개발 지침으로 추가할 필요가 있다.

2) 실험 활동에 필요한 세부 과정 서술의 필요성과 서술 방안

초등학교 과학 교과서에 제시된 탐구활동은 주로 6단계 이상의 과정을 서술하지 않으며, 문장도 간결하게 제시한다. 이는 지면 편집상의 이유와 초등학교 학생들의 문해력 및 인지 능력을 고려한 것이다. 따라서 실험 데이터를 얻기 전 실험 장치를 설치하는 과정은 보통 간단하게 서술된다. 예를 들어, ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 탐구활동에서 실제 실험 과정과 교과서에 서술된 실험 과정을 비교하면 Table 8과 같다.

Table 8 Comparison of the actual experimental process with the experimental process described in the textbook.

Actual experiment processExperimental process described in the textbook
1. Fix the ring to the stand with the clamp1. Place a beverage can filled with cold water into a beaker filled with warm water.
2. Place the beaker on the stand support and place the empty can into the beaker.
3. Place the thermometer in each empty can and beaker without touching it, then hang the thermometer on the ring.2. Hang two alcohol thermometers on a stand and place them in a beverage can and a beaker, respectively.
4. Add about 2/3 of cold water into the empty can and about 1/2 of warm water into the beaker.
5. As soon as the experiment begins, measure the temperature of the water in the can and beaker.3. Measure the temperature of the water in the beverage can and beaker every minute.
6. Measure the temperature of the water in the can and beaker every minute.
7. Talk about how the temperatures of two substances of different temperatures change when they come into contact.4. Talk about how the temperatures of two substances of different temperatures change when they come into contact.


집게잡이를 사용하여 링을 스탠드에 고정시키는 과정과 비커를 스탠드 지지대 위에 놓고 빈 캔을 비커 속에 넣는 과정은 교과서에는 생략되어 있다. 학생들은 교과서에 제시된 실험 장치 사진을 보고 해당 과정을 수행해야 한다. 그러나 스탠드, 집게잡이, 링 등의 실험 기구 사용에 익숙하지 않은 학생들은 실험 장치 설치에 더욱 어려움을 겪을 수 있다. 빈 캔과 비커에 온도계가 닿지 않게 각각 넣은 뒤 온도계를 링에 거는 과정, 빈 캔에는 차가운 물을 2/3 정도 넣고 비커에는 따뜻한 물을 1/2 정도 넣는 과정은 교과서에 ‘알코올 온도계 두 개를 스탠드에 매달아 음료수 캔과 비커에 각각 넣는다’로 서술되어 있다. 또한 실험을 시작하자마자 캔과 비커에 담긴 물의 온도를 측정한 후 1분마다 캔과 비커에 담긴 물의 온도를 측정해야 하나 교과서에서는 ‘1분마다 음료수 캔과 비커에 담긴 물의 온도를 측정한다고’만 서술되어 있다. 이처럼 실험 장치를 만드는 세부 과정이 생략되고, 실험 과정이 지나치게 축약되어 있어서 학생들이 실험 장치를 안정적으로 제작하기 어려웠고, 정교한 실험 데이터를 얻기가 어려워졌다. 따라서, 학생들이 실험 장치를 안정적으로 제작하고 실험 과정을 좀 더 명확하게 이해할 수 있도록 실험의 목적, 내용과 방법, 유의 사항, 각 실험 기구의 사용 이유 등의 실험 과정의 세부 사항을 학생들에게 제공하는 것이 필요하다. 실험 과정에 대한 자세한 설명은 자기 주도적 학습을 하려는 학생들에게 필요한 것이므로 교과서보다는 실험 관찰책이나 교사용 지도서에 따로 제시하는 것이 적합하다.

3) 실험 수행 능력 향상을 위한 학습 지도 필요

연구 결과에 따르면, 학생들은 두 실험 모두에서 실험 오류를 나타냈다. ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 실험에서는 온도가 다른 물을 접촉시킨 후 처음 온도의 측정 시간 지연, 1분마다 온도계의 눈금 읽는 시각에서 오류, 그리고 온도 측정 시간의 지연으로 인한 실험 오류가 있었다. 또한 ‘고체에서의 열의 이동’ 실험에서는 실험 장치가 수평으로 배치되지 않았고, 구리판의 열변색 붙임 딱지의 색깔 변화를 충분히 관찰하지 않은 오류가 발견되었다. 이러한 실험 오류는 실험 활동의 목적, 개별 실험 기구 사용의 이유, 관찰과 측정의 정밀성과 충분성이 왜 중요한지, 그리고 실험 기구의 사용법과 주의 사항에 관한 이해 부족과 관련이 있다.

2015 개정 교육과정에서는 ‘과학자는 어떻게 탐구할까요’, ‘과학자처럼 탐구해볼까요’의 단원을 포함하여 기초 및 통합 탐구 활동을 학습할 수 있도록 설계되었지만, 이러한 내용은 주로 탐구 방법에 대한 이해를 다루어 실험 수행 능력 향상에는 도움이 되지 않았다. 또한 초등학교 과학 수업에서는 각 차시마다 탐구활동이나 만들기 활동이 포함되어 있지만, 시간이 제한되어 있어 학생들이 개별적으로 실험을 하면서 실험의 본성에 대한 이해를 할 충분한 기회가 부족하다. 따라서 실험 수행 능력의 향상을 위해서는 실험의 본성에 대한 학습과 함께 실험 기구나 장치에 대한 기초적인 학습 지도가 필요하다.

4) 두 탐구활동의 난이도와 과학 개념 이해에서의 문제점과 해결 방안

‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’ 차시는 ‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 차시보다 앞부분에 배치되어 있지만, 실험 1의 난이도가 실험 2의 난이도보다 높았다. 실험 1의 탐구활동은 실험 준비물과 실험 과정이 복잡할 뿐만 아니라 측정을 오래 해야 하고, 측정 결과를 바탕으로 따뜻한 물에서 찬물로 열이 이동함을 추리해야 하기 때문이다. 또한 온도가 다른 두 물체가 접촉할 때 시간이 충분히 지나면 두 물체의 온도가 같아지게 됨을 예상해야 한다. 실험 2에서 6학년은 실험 결과를 바탕으로 적절한 예상을 했는데, 데이터가 충분히 모이지 않은 상황에서 과도한 예상하는 것이 과학적으로 적절하지는 않았다. 5학년 학생들은 이미 학습한 내용에 대한 기억을 떠올려 마치 결과 해석한 것처럼 대답하였고, 4학년 학생들은 외삽 활동에 실험 결과를 이용하지 못했다. 반면, 실험 2에서는 정성적 실험 결과 확인과 실험 결과를 귀납하여 고체에서 열의 이동에 대해 서술하는 것이었다. 학생들은 이 실험을 훨씬 빨리 수행했고 구리판의 온도 변화, 열의 이동 방향, 열의 이동 방식 등에 관한 여러 단계의 추리를 이어갈 수 있었다. 그러나 실험 결과의 해석과 과학 개념 사이에 논리적 추론은 두 탐구활동에서 모두 어려운 과정이었다. 따라서 학생 수준에 맞게 내용의 난이도를 조절하고 개발할 필요가 있다.

이 연구에서는 2015 개정 교육과정 5학년 1학기 ‘온도와 열’ 단원의 ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정하기’와 ‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 실험에 참여한 초등학생의 실험 수행 능력과 실험 수행 과정에서 겪는 학생들의 어려움을 분석하였다. 연구 결과, 초등학생의 실험 수행 능력은 낮은 편이었으며, 실험에서의 오류와 실험 수행의 어려움을 나타냈다. 실험 수행 과정에서 나타난 학생들의 특성과 어려움을 정리하면 다음과 같다.

첫째, ‘온도가 다른 두 물질을 접촉할 때, 두 물질의 온도 변화 측정’ 탐구활동에서는 학생 대다수가 실험 장치의 설치, 실험 수행, 결과 해석 및 개념 이해 과정에서 어려움을 겪었으며 전체 과정을 스스로 수행하고 실험 결과를 해석하여 과학 개념 이해까지 도달한 학생은 6학년 1명뿐이었다. 실험 장치 설치와 실험 수행 과정에서는 스탠드와 링을 조립하는 과정, 따뜻한 물과 차가운 물을 접촉시키는 실험 장치를 꾸미고 온도계를 설치하는 과정, 일정 시간마다 초시계가 나타내는 시각과 온도계에 나타난 물의 온도를 측정하는 과정에서 수업을 받지 않은 4학년뿐만 아니라 수업을 이미 받은 5학년과 6학년 학생들도 어려움을 겪었다. 반면, 실험 결과를 바탕으로 온도가 다른 두 물질의 접촉에서 온도 변화에 대해 학생 대부분이 귀납할 수 있었다. 그러나 따뜻한 물과 차가운 물이 접촉하여 시간이 지나면 온도가 같아진다는 외삽을 하는 학생은 6학년 3명뿐이었으며, 5학년은 실험 결과를 추리하기보다는 선행된 수업에서 배운 대로 대답하였다. 또, 그런 온도 변화가 열의 이동 때문이라고 스스로 설명할 수 있는 학생은 6학년 1명뿐이었다.

‘고체에서 열의 이동 추리하기’ 탐구활동에서 학생들은 한 면에 열변색 붙임딱지를 붙인 세 가지 모양의 구리판을 양초로 가열할 때 열변색 붙임딱지의 색깔 변화와 색깔 변화가 이동하는 방향을 정성적으로 관찰하여 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 구리판을 따라 이동함을 설명하는 과정에 참여하였다. 이 실험에서 실험 장치 설치, 실험 수행, 결과 해석 및 관련 개념 설명까지 활동을 잘 수행한 학생은 4학년 1명, 5학년 1명 및 6학년 2명이었다. 실험에서 4–6학년 학생이 모두 스탠드, 집게잡이, 고정집게를 사용할 때 어려움을 겪었다. 앞의 탐구활동에 비해 실험 난이도는 낮았지만, 여전히 실험 장치를 정밀하게 다루지 않았고 실험 결과를 충분히 관찰하고 정확하게 기록하지 않았다. 결과 해석 단계에서 학생 대부분은 고체를 가열할 때 고체에서의 온도 변화와 열의 이동 방향에 대해서는 정확하게 추리하였지만, 4학년과 5학년 일부 학생들은 응답하지 못하거나 오개념을 갖고 있었다.

연구 결과를 바탕으로 실험 기구의 설치와 조작에서의 어려움 해결 방안, 실험 수행 능력 향상을 위한 학습 지도 필요성, 탐구활동에 필요한 세부적 실험 과정 서술 방안, 두 탐구활동의 난이도와 과학 개념 이해에서의 문제점과 해결 방안에 대해 논의하였다. 그러나 이 연구는 교실 상황에서 교사와 학생들 사이의 상호작용과 그에 따른 학생들의 실험 행동 반응을 조사하지 않았고, 무작위로 선정되지 않은 4–6학년 학생 12명을 대상으로 학생의 개별적인 실험 수행 과정과 연구가 진행되었기 때문에 연구 결과와 논의에 연구의 한계를 지닌다.

  1. H. G. Yoon, J. Korean Elem. Sci. Educ. 27, 102 (2008).
  2. C. Hart, et al., J. Res. Sci. Teach. 37, 655 (2000).
    CrossRef
  3. H. M. Park and C. S. Lim, J. Korean Elem. Sci. Educ. 42, 82 (2023).
    CrossRef
  4. A. Hofstein and V. N. Lunetta, Sci. Educ. 88, 28 (2004).
    CrossRef
  5. R. T. White, Int. J. Sci. Educ. 18, 761 (1996).
    CrossRef
  6. I. H. Yang and S. O. Park, J. Korean Soc. Earth Sci. Educ. 8, 164 (2015).
    CrossRef
  7. J. S. Park and J. W. Song, J. Korean Elem. Sci. Educ. 35, 416 (2016).
    CrossRef
  8. I. H. Yang, S. M. Kim and H. J. Cho, J. Korean Assoc. Sci. Educ. 27, 235 (2007).
  9. H. J. Park, B. W. Min and D. H. Jeong, J. Korean Assoc. Sci. Educ. 28, 870 (2008).
  10. M. L Lee, M.S. thesis, Korea National University of Education (2002).
  11. M. Nott and R. Smith, Int. J. Sci. Educ. 17, 399 (1995).
    CrossRef
  12. H. J. Han, J. H. Sim and K. C. Shim, Biol. Educ. 47, 236 (2019).
    CrossRef
  13. S. H. Cho, et al., J. Korean Elem. Sci. Educ. 35, 181 (2016).
    CrossRef
  14. C. A. Chinn and B. A. Malhotra, Sci. Educ. 86, 175 (2002).
    CrossRef
  15. S. M. Lim, J. Korean Elem. Sci. Educ. 39, 449 (2020).
    CrossRef
  16. H. M. Choi and H. S. Kim, Sch. Sci. J. 14, 353 (2020).
    CrossRef
  17. D. H. Chae, I. H. Yang and S. A. Jung, J. Korean Assoc. Sci. Educ. 31, 1121 (2011).
    CrossRef
  18. S. C. Song and K. C. Shim, J. Korean Elem. Sci. Educ. 38, 453 (2019).
    CrossRef
  19. J. E. Kim and S. I. Yeo, J. Korean Elem. Sci. Educ. 33, 21 (2014).
    CrossRef
  20. J. S. Tae, E. J. Yun and Y. B. Park, J. Korean Assoc. Sci. Educ. 35, 375 (2015).
    CrossRef
  21. D. H. Chae, J. Y. Shin and E. A. Kim, J. Korean Soc. Earth Sci. Educ. 15, 213 (2022).
    CrossRef
  22. M. H. Son, D. H. Jeong and J. W. Son, J. Korean Assoc. Sci. Educ. 38, 441 (2018).
    CrossRef
  23. Ministry of Education, 2007 revised science curriculum commentary, 2007.
  24. T, J. Byun, J. Korean Elem. Sci. Educ. (2022).
    CrossRef
  25. Ministry of Education, 2009 revised science curriculum, 2009.
  26. Y. J. Jeong and I. W. Park, Sch. Sci. J. 17, 376 (2023).
  27. G. R. Lee, E. J. Ju and I. W. Park, J. Korean Elem. Sci. Educ. 41, 569 (2022).
    CrossRef
  28. S. Y. Jeong, M.S. thesis, Gwangju National University of Education (2008).
  29. J. D. Ohn, KEDI Research Report (CP2015-01-7), 2015.

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