과학에서 에너지는 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학 등 여러 영역에 걸쳐 다양한 현상을 동일한 관점을 사용하여 이해하도록 하는 통일적인 틀이다 [1–4]. 비록 용어의 명확한 정의에는 다소 차이가 있지만 여러 영역의 연결을 강조하는 현시점에서 에너지는 각국의 교육과정 구성의 한 축으로서 여러 학문분과를 가로지르고 있다 [5]. 세계 주요 국가의 교육과정뿐 아니라, TIMSS(Trends in International Mathematics ad cience Study) 나 PISA(Programme for International Student assessment) 등과 같은 국제 과학 성취도 평가에서도 에너지는 핵심적인 과학 개념의 하나로 항상 포함되어 왔다 [6–8].

에너지에 대한 통합적 이해는 분절된 특정 지식의 습득보다는 에너지의 특성에 대한 전반적인 이해와 적용이 가능할 수 있도록 고안된 학생 친화적 맥락을 통해 달성될 수 있다 [9,10]. 과학적 측면에서 에너지의 특성은 크게 네 범주로 요약할 수 있는데, 전달(transfer)과 변환(transform)이 가능하고, 전달이나 변환 시 감쇄(degrade)가 발생하며, 에너지의 총량은 보존(conserve)된다는 것이다 [11,12]. 특히, [13]과 [14]는 학생의 에너지 개념이 단계적으로 발달함을 밝혔는데 가장 기초적인 단계는 에너지가 일할 수 있는 능력이라는 것과 같은 에너지에 대한 기본적인 이해 단계로, 여기서부터 출발하여 상위 단계의 발달이 가능하다는 것을 보였다 [5]. 이는 곧, 에너지 개념을 이해 단계별로 범주화할 수 있다는 것을 뜻하며, 다양한 맥락에서 에너지 개념에 대한 학습 목표가 일관성 있게 제시되려면 학생의 개념 이해에 관한 세밀한 분석이 반드시 필요함을 의미한다.

에너지 개념 관련 선행연구들에 의하면, 일반적으로 초등학생들의 에너지 개념에 대한 균형 잡힌 이해는 부족한 듯 보인다 [15,16]. 그 예로 에너지를 유동성이 있는 단순 물질처럼 생각하거나 [17], 움직이지 않는 것은 에너지가 없다고 생각하는 등의 경향이 있다 [18, 19]. 또한, 초등학생들은 에너지가 자연현상과 관련 있다는 것은 인지하고 있으나 에너지 전달과 전환에 대해서는 상이한 이해도를 보였으며[15], 에너지의 보존에 대해서는 낮은 이해도를 나타내고 있었다[5]. 이는 에너지가 학생들의 직접적인 경험이나 체험을 넘어서는 추상적인 개념이기에 에너지를 하나의 문장으로 정의하거나 간단한 방법으로 학생들에게 보여 주는 것이 쉽지 않기 때문이다 [2]. 그리고 일상생활에서 광범위하게 사용하는 에너지라는 용어의 의미가 과학적 의미와 일치하지 않은 데서 기인하기도 한다 [8]. 정리하자면 이와 같은 에너지 개념에 대한 이해 정도의 어려움과 불일치도는 지금까지 초등학생들을 대상으로 한 다수의 조사와 선행연구의 초석이 되었고, 과학 교육과정에서 에너지를 어떻게 다루어야 하는지에 대한 문제를 상기시키기도 하였다.

한편, 과학영재는 일반적으로 높은 창의성과 상상력, 우수한 사고 능력, 지적 호기심, 과제 집착력, 정서적 민감성, 완벽주의와 자기비판 등의 다양한 특성을 가진다 [20–24]. 따라서 과학영재교육은 과학영재 학생들의 특성을 고려하여 영재성을 최대로 계발시키는 방향으로 이루어져야 하며, 과학영재교육 프로그램 또한 과학영재 학생들의 특성에 맞게 차별화될 필요가 있다 [25]. 이를 위해서 과학영재 학생들의 기본 개념 이해분석은 영재교육에 있어 선행되어야 할 조건이다 [26]. 특히, 위에서 언급한 대로 에너지 개념이 가지는 위상과 중요성은 매우 높고, 그에 따른 개념 이해정도 분석이 필요하다. 하지만 초등 과학영재 학생들로 연구대상을 좁혔을 때 연구 결과는 거의 없다. 추가로 초등학생들의 에너지 개념에 대한 이해 수준은 매우 제한적으로 보고되고 있음을 생각해볼 때, 우수한 집단인 초등 과학영재 학생들이 에너지를 어떻게 이해하고 있는지를 알아보는 것도 앞으로의 과학영재교육을 위해 필요하다고 할 수 있다.

이와 같은 맥락에서, 본 연구는 기초 조사 격인 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념 형성에 바탕이 되는 개념 연상(聯想) 결과로 연구 대상의 특성을 파악하는 과정과 에너지를 어느 정도 수준으로 이해하고 있는지를 알아보는 수준 측정의 과정으로 나누어 수행되었다. 이를 통해 초등 과학영재 학생들이 가지는 에너지 개념 위계 구조에 대한 논의를 확장하는 데 시사점을 제공해 줄 수 있을 것으로 기대된다.

1. 연구 대상

본 연구는 초등 과학영재교육원에 재학 중인 6학년 학생 60명을 대상으로 하였다. 이들은 타 과학영재교육원 수료경험이 있고, 교사관찰 추천서 및 영재검사를 통해 1차 선발 후 2차 최종 면접 과정을 통해 선발된 과학영재학생들이다. 설문 문항에 대한 응답에 이은 추가 면담은 학생들을 대상으로 개별적으로 실시하였으며, 면담 시간은 10 – 20분 정도로 모든 과정을 녹음 및 전사하였다. 연구의 면담시기는 학생들이 과학영재교육원을 거의 수료할 무렵에 실시하였으며, 이는 대부분 초등학교에서의 과학교육과정이 끝나갈 무렵이었다.

2. 연구 자료수집을 위한 설문 문항 개발

초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 개념이해 수준을 파악하기 위하여 초등학교 및 중 · 고등학교 과학 교육과정을 분석하였고, 각 학교급에서 다루는 에너지의 여러 가지 정의와 내용적 범위를 확인하였다. 설문 문항 개발을 위한 준거로는 [27]이 제시한 개념이해수준 범주화 및 [26]의 이해정도 분석 단계를 참고하였으며, 초기 설문 문항을 개발하고 3차례의 예비검사를 통해 수정하였고 과학교육전문가 1인과 과학교육과 박사과정 중에 있는 1인에게 타당도 검사를 받았다. 그에 따른 에너지 개념 연상과 개념이해수준 측정에 대한 설문 문항은 Table 1과 같다.

Table 1 Questionnaire survey for measuring energy concepts understanding.

Classification	Questions
Association with concept of energy	· What are 10 words that you associate with energy?
	· Among the 10 words, write 1 that you think is the most important and explain your reason.
Measuring level of understanding concept of energy	· What is energy?
	· What examples of energy are there around you?
	· What is conversion of energy?
	· How is conversion of energy accomplished when riding a rollercoaster?
	· How is conversion of energy accomplished when using an electric iron?
	· Excluding the above cases, what other methods are there where we can use conversion of energy?
	· Can the overall energy be preserved when one energy is converted into another energy? Why do you
	· Draw the conversion of energy that we can see in our environment and explain in detail.

먼저, 본 연구를 위한 기초 조사에 해당하는 에너지 개념 연상 관련 설문 문항에서는 관련 개념의 연상과 서열화에 대한 활동이 개념의 판단 기준에 대한 인지 구성을 파악하는데 중요한 단서가 된다는 [28]의 연구 결과를 참고하였다. 따라서 이 부분에서는 초등 과학영재 학생들에게 에너지와 관련하여 떠오르는 단어 10개를 적게 하고 그중 가장 중요하다고 생각되는 것을 이유와 함께 서술하도록 하였다. 연구 문제에 해당하는 에너지 개념이해수준 측정 설문 문항에서는 평소 연구자가 지도한 초등 과학영재 학생들의 기초 지식을 고려하여 제작하였다. 전체적인 에너지에 대한 수준 측정을 위하여 에너지의 정의 및 우리 주변에서 존재하는 에너지의 예시와 에너지 전환에 대하여 물었다. 또한, 에너지 개념이해수준의 범주화를 하기 위해서 구체적인 에너지 전환의 형태를 주변에서 학생들이 흔히 경험할 수 있는 롤러코스터와 전기다리미의 예를 들어 설명하도록 하였다. 이밖에도 에너지 전환을 우리가 이용할 수 있는 방법과 전환으로 인하여 나타나는 에너지 보존 개념, 그리고 전환과 흐름에 따른 시스템적 개념을 파악하는 그림 등으로 이해수준을 측정할 수 있는 문항을 구성하였다. 이처럼 에너지 개념이해수준 측정을 위한 문항은 에너지 전환과 보존에 대한 내용이 많은데, 이는 [15]의 연구에서 나타난 초등학생들의 에너지 전환과 보존 개념 이해의 어려움을 반영한 것이다.

3. 자료 분석

자료 분석은 초등 과학영재 학생들의 응답에 대한 빈도 분석과 측정한 수준에 대한 범주화를 통해 수행되었다. 에너지 개념 이해정도 측정을 위한 분석 도구는 [29]가 분류 한 방법인 포괄적인 물음에 대한 응답 및 대상이나 현상에 대한 설명 그리고 거시적인 관점의 견지 정도를 참고하여 1수준부터 4수준까지 4단계로 구분하는 기준으로 Table 2와 같이 구성하였다. 또한, 초등 과학영재 학생들의 수준을 범주화할 때에는 사전 개발된 설문 문항 응답과 면담에서 나타난 전사 내용을 연구자와 과학교육전문가 1인이 논의를 통해 합의하는 과정으로 수행되었다. 이 과정에서 모든 연구자가 분석 도구 진술의 모호함을 줄이고자 공동으로 결과를 해석하고 기술하는 과정을 반복하였으며, 수준별 면담의 구체적인 사례 추출 역시 이 과정에서 이루어졌다. 추가로 본 연구에 있어 수준별로 에너지 개념에 대한 의미 있는 면담 내용에 연구자가 밑줄로 표시하였다.

Table 2 Level classification for energy concept understanding measurement.

Category	Standards for Classification
Level 1	· Explains energy as fragmentary objects that can be found in surroundings
	· Have unscientific thinking for defining conversion of energy
	· Doesn’t understand the examples related to conversion of energy and cannot form correct concept for energy preservation with unscientific thinking
Level 2	· Explains energy as phenomenon and events
	· Explains the relevance of energy and conversion of energy in fragments
	· Has misconceptions on explaining energy preservation
Level 3	· Relates energy and conversion of energy to surrounding examples and is able to explain to certain degree
	· Explanation on energy preservation is scientific to certain degree but there is also some misconception
	· Insufficiency in systematic understanding on conversion and flow of energy and there is a little misconception
Level 4	· Provides perfectly logical explanation for energy conversion and energy preservation caused by interaction between energy
	· Has systematic understanding for conversion and flow of energy

1. 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 연상 분석 결과

초등 과학영재 학생들이 에너지 개념에 대하여 연상한 10개의 단어 중 빈도가 3회 이상 나온 것들을 범주화하여 정리한 결과는 Table 3과 같다. 빈도는 모든 학생들이 응답한 내용을 세어 정리한 것이다.

Table 3 The result of 3 or more times of frequency among the conceived concepts.

category	associated word	frequency
Electrical and Electronics	electricity	37
	tv	23
	refrigerator	19
	electric fan	17
	air conditioner	12
	cell phone	8
	microwave	5
	iron	3
	total	124
Natural environment and resources	fire	22
	sun	15
	water	12
	wind	9
	rain	7
	oil	4
	coal	3
	total	72
Transportation	car	19
	airplane	13
	train	7
	roller coaster	4
	ship	3
	total	46
Abstract concept	force	18
	movement	11
	physical strength	6
	hot	3
	total	38
Economy in one’s life	saving	12
	poster	7
	life	6
	power-saving electricity	6
	notice of charge	4
	total	35
Food and drink	drink	9
	meat	5
	rice	3
	food	3
	total	20

초등 과학영재 학생들은 에너지와 관련하여 떠오르는 연상 단어로 ‘전기’를 많이 떠올렸으며, 다음으로 ‘TV’, ‘불’, ‘냉장고’, ‘자동차’, ‘힘’ 등의 순이었다. 이 결과는 에너지를 눈으로 쉽게 관찰할 수 없으나 일상생활에서 흔하게 사용하는 용어이기 때문에, 대부분의 학생들은 익숙한 것에 빗대어 표현한 개념을 가지고 있다는 [30]과 [31]의 연구 결과와 맥락을 같이한다. 또한, 선택된 단어들이 ‘힘’, ‘움직임’, ‘생활’, ‘전기’ 등의 생활에서 많이 사용되는 것이 표현된 것으로 보아 [32]의 연구 결과도 유사하다고 할 수 있다.

에너지에 개념에 대한 연상은 크게 6가지 범주로 구분할 수 있었다. 범주의 전체 빈도는 전기 및 전자제품이 가장 높았고, 자연환경 및 자원, 운송수단, 추상적 개념 그리고 생활 및 절약, 음식물 순으로 나타났다. 전기 및 전자제품의 빈도가 현저하게 높은 것은 초등 과학영재 학생들이라도 주변의 사물에 에너지를 투영시켜 개념을 이해하는 경우가 많다고 추론 할 수 있으며, 그런 점에서 가장 손쉽게 접할 수 있고, 우리 눈에 많이 보이는 전자제품을 가장 높은 빈도로 선택한 것이라고 할 수 있다. 주목할 점은 물리학에서 정의하는 에너지와는 상관관계가 비교적 떨어지는 절약범주 안에 속한 여러 가지 단어들과 ‘드링크’, ‘고기’, ‘밥’과 같은 음식물 범주의 단어들도 많은 빈도수를 차지한다는 점이다. 아래 자료는 절약 범주와 음식물 범주에 있는 단어를 연상한 학생 각각 1명을 추가로 면담한 내용이다.

(절약 범주 연상 학생 면담 내용)

교사: 포스터라고 적혀있던데 왜 그렇게 적었니?

영재학생 2: 학교에서 매일 에너지 절약 포스터 그리기 하라고 하거든요. 그래서 저는 에너지 하면 떠오르는 생각이 포스터에요.

교사 : 그럼, 포스터를 그릴 때 어떤 내용이 들어갔는지 말해줄 수 있니?

영재학생 2: 매일 보는 콘센트를 나타내었고, 또 전기 스위치를 그래서 절약하자는 내용을 그렸어요. 우리 생활에서 가장 손쉽게 지킬 수 있는 것이잖아요.

교사 : 요금고지서도 적었는데, 이건 왜 적었는지 말해줄 수 있니?

영재학생 2: 얼마 전 뉴스를 봤는데 여름에 에어컨 사용 때문에 전기요금이 걱정된다는 기사를 보았어요. 에너지 사용과 요금고지서는 뭔가 밀접하게 관련된 기분이 느껴져요.

(음식물 범주 연상 학생 면담 내용)

교사: 드링크라고 적었는데 에너지 하면 생각나는 것이 왜 드링크 인지 설명해주겠니?

영재학생 10: 얼마 전 마트에 갔는데 에너지 드링크라고 적혀 있는 것을 봤어요. 마셔보고 싶었는데 그러진 못했어요.

교사: 에너지와 드링크 어떤 관련이 있을 것 같아서 적은 것이니?

영재학생 10: 에너지 드링크를 마시면 힘이 불끈 솟아 나올 것 같아요. 갑자기 달리기가 빨라진다던지, 무거운 물체를들 수 있는 어떤 힘이 생기지 않을까요?. 물론 많이는 아니겠지만...어느 정도 도움 될 것이라고 생각해요.

이 결과는 [33]의 연구에서처럼 초등 과학영재 학생들도 에너지를 설명할 때, 학교에서 배운 에너지라는 과학적인 용어를 사용하지 않고 일상적인 용어에 의존하여 에너지 개념을 이해하거나 사용하고 있다고 해석할 수 있으며, 생활에서 비롯한 경험 의존적인 상태로 에너지를 바라보고 있음을 나타내는 사례라고 할 수 있다.

한편, 초등 과학영재 학생들에게 에너지의 개념에 대한 연상 중 가장 중요하다고 생각되는 것과 주요 이유를 정리한 것은 Table 4와 같다.

Table 4 The most important conceived concepts and reasons for the association.

Rank	Association	Frequency of selection for reasons thought to be most important	Main Reason (example)
1	electricity	19	· Because it is the most needed in our daily lives and it is the impetus that operates electronics in our daily lives
			· Because it is most needed for us to live and has close relation with our lives
			· Electricity will relatively be easier to convert to other energy and will be easy to use
			· Most of our country’s power plants create electricity and therefore, it can be said that electricity is most precious
2	sun	12	· Because we can gain another form of energy through new renewable energy called the sun when there is insufficient amount of energy
			· Since the sun will continue to exist even when we run out of other resources, it can create new energy
			· Because it is cleaner than fossil energy like fuel and coal and also, doesn’t cause great amounts of environmental pollution
			· The light of sun will become hotter and hotter as global warming worsens and I thought it would be good to use this as form of energy
3	car	11	· If you don’t have cars, you can’t go fast and if you can’t go fast, people have to consume more energy
			· The various power technology that is put into the car engine becomes the basic technology that can create energy
			· Even if energy is created, it would be difficult to transport energy if there is no automobile.
4	force	9	· Because you need power to create energy
			· There are different kinds of power in our daily lives and those powers are used to create energy

초등 과학영재 학생들 중 많은 학생들이 ‘전기’를 가장 중요한 1순위로 선정하였다. 학생들은 전기를 우리 생활과 가장 밀접한 관계를 가지고 있는 에너지원이라고 생각하였고, 다른 에너지와 전환 문제 및 에너지 생산의 방법을 고려해볼 때 가장 중요한 연상 단어라고 인식하고 있었다. 또한, 많은 학생들이 ‘태양’을 중요한 연산 단어로 선정하였는데, 그 이면에는 태양은 가장 효율적이고 이용하기 쉬운 신재생 에너지라는 생각이 반영되어 있었고, 태양의 영구적인 측면에 초점을 맞추어 중요한 에너지원이라는 생각도 있었다. ‘자동차’ 역시 많은 학생들이 중요하다고 생각하고 있었는데, 자동차의 운송적인 측면에만 부각하여 대답한 학생들과 에너지를 자동차가 운반한다는 다소 엉뚱한 대답을 하는 학생들도 있었다. 힘이라고 답한 학생들은 힘을 에너지를 만들어 내는 원천적인 요인이라고 생각하였고, 우리 생활에 다양한 힘이 에너지로 생산된다는 점을 부각하기도 하였다. 이 중에서 전기와 태양에 대하여 초등 과학영재 학생들이 추가로 응답한 내용은 다음과 같다.

영재학생 5: 전기는 많은 에너지 중에 가장 우리가 손쉽게 접할 수 있는 에너지라 생각합니다. 전기가 없으면 생활이 불편해지고, 또한 전자제품이 멈추게 되어서 할 수 없는 일이 너무나 많습니다.

영재학생 21: 전기가 없는 세상은 상상하기 어렵습니다. 대부분의 가전제품이 전기로 작동되기도 하고, 요즘은 화석연료 대신에 전기자동차와 같은 신재생 에너지와 같이 쓰이기도 하니 전기는 가장 중요하다고 할 수 있습니다.

영재학생 27: 가만히 생각해보면 우리는 에너지원의 사용요금을 전기요금만 내는 것 같습니다. 화력, 수력, 원자력 등 대부분의 발전소에서 전기를 이용하고 있으며, 이용한 전기를 바탕으로 더 많은 전기에너지를 생산하는 것을 볼 때 가장 중요한 것은 전기입니다.

영재학생 36: 태양은 영원히 존재하는 에너지원이라 볼 수 있습니다. 또한, 환경에도 크게 부담으로 작용하지 않는 신재생 에너지입니다. 그런 점에서 중요하다고 생각했습니다.

영재학생 41: 신문기사에서 본 적 있는데, 태양 에너지를 모아서 풍차를 돌리거나 물을 데우는 역할을 하는 것을 보았습니다. 이것을 보면 태양 에너지는 다른 에너지로 전환하기도 쉽고 기계를 작동시키는 데에도 편리한 에너지 같습니다. 따라서 저는 태양이 가장 중요하다고 생각하였습니다.

영재학생 54: 태양 자동차, 태양광 발전, 태양열 발전 같은 것이 점점 많아지고 있습니다. 우리 학교 지붕에도 지금 태양열 발전을 하고 있습니다. 석유, 석탄, 원자력처럼 고갈될 염려도 없고 새롭고 깨끗하게 재생 가능한 자원이라는 생각이 듭니다.

이와 같이 학생들은 생활의 밀접함, 최근 나타나는 신재생 에너지의 예를 들면서 전기의 중요성을 말하고 있었다. 하지만 [34] 및 [35]의 연구와 유사하게 많은 학생들이 생각하는 에너지는 기계가 작동되는 데 필요한 원료라는 생각과 원자재로부터 얻을 수 있는 가치의 산물이라는 생각이 투영되고 있음을 알 수 있었다.

2. 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 이해수준 측정

[27]은 과학 개념의 이해수준에 따른 범주와 학생 개개인의 맥락으로 이끄는 범주 사이에는 어울리지 않는 불화합성이 존재할 수 있다고 하였다. [36]의 연구와 같이, 학생들이 과학 개념들을 학습하는 과정에서 올바르게 분류된 지식과 불일치가 나타난다면 학습에 어려움을 느끼게 되는 것이다. 따라서 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 이해수준을 명확하게 확인하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

Table 5는 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 이해수준을 Table 2의 기준에 따라 분류한 전체 결과를 나타낸 것이다. 2수준과 3수준이 가장 많은 빈도를 차지하고 있었으며, 에너지 개념에 대한 이해를 잘 하고 있는 4수준과 이해를 못 하고 있는 1수준은 빈도가 낮았다.

Table 5 Elementary science gifted students’ understanding of energy concept cassification Results.

	Level 1	Level 2	Level 3	Level 4	Total
numbers	6	25	21	8	60
percentage(%)	10%	42%	35%	13%	100%

1) 1수준 학생의 특징

1수준으로 분류된 학생들은 에너지를 하나의 사물로 인식하고 있었으며, 에너지 전환과 보존에 대하여 비과학적인 사고를 하고 있었다. 아래는 1수준으로 분류된 학생들의 에너지에 대한 추가 면담의 내용을 나타낸 것이다.

(1수준 학생의 에너지 정의 관련 면담 내용)

교사 : 에너지란 무엇인지 가장 적절하게 설명해 줄 수 있니?

영재학생 8: 글쎄요...건전지 같은 거요.

교사: 에너지는 어떻게 전환된다고 생각하니?

영재학생 8: 건전지에 있던 에너지가 짜먹는 요구르트처럼 쭉 빠져나가요. 그래서 다른 에너지가 되는 거 아닌가요?

교사: 그래? 어떻게 그런 생각을 가지게 되었니?

영재학생 8: 음... 학교 선생님께서 비슷하게 설명하신 것 같아요.

영재학생 8은 에너지의 의미를 단순히 하나의 사물인 건전지로 이해하고 있었으며, 전체 학생들의 6.6%(4명)가 비슷한 경향으로 사고하는 것으로 나타났다. 이러한 사고의 이유 중 하나로 교사의 설명에서 영향을 받았다는 면담 내용에 비추어볼 때, [37]의 연구에서 나타난 학교 수업에서 사용하는 비유적 표현이 학생들의 사고를 제한하고 오개념을 형성할 수 있다는 결과와 유사하다고 볼 수 있다. 에너지 전환과 보존에 대하여 1수준으로 분류된 학생들은 대체로 비과학적인 대답을 하였는데, 전체 학생 중 약 8.3%(5명) 정도가 자신의 경험에 빗대어 대답하는 경우가 많았다.

(1수준 학생의 에너지 전환 관련 면담 내용)

교사: 에너지 전환이란 무엇이니?

영재학생 13: 음..에너지가 변하는 것 같은데요.

교사 : 그럼 롤러코스터를 탔을 때 에너지 전환은 어떻게 이루어지는 지 말해줄 수 있니?

영재학생 13: 네, 롤러코스터가 위로 올라갈 때는 에너지가 많이 필요하고요. 내려갈 때는 힘을 별로 주지 않고 내려올 수 있으니깐, 에너지가 적게 든다고 생각되어요. 교사: 그런 생각은 어떻게 하게 된 거니?

영재학생 13: 잘은 모르겠는데....등산할 때 위로 올라갈 때 힘이 들고, 내려갈 때 힘이 적게 들더라고요. 이와 비슷하게 롤러코스터도 그렇지 않을까 생각했습니다.

영재학생 13은 롤러코스터의 에너지 전환에 대한 질문에 에너지 형태의 전환이라는 이해를 하지 못하고 에너지양의 개념으로 이해를 하고 있었다. 또한, 학생 자신의 등산 경험에 비추어 올라갈 때 힘이 많이 필요하여 에너지가 많이 필요하고, 내려올 때 힘이 적게 필요하여 에너지가 적게 필요하다는 생각을 하고 있었다. 이는 에너지 전환과 보존에 대한 과학적 개념이 전혀 형성되지 않았음을 알 수 있다.

Figure 1은 1수준 범주로 분류된 학생들의 에너지 전환과 보존에 대한 그림 표현을 나타낸 것이다. 1수준 범주의 학생들은 면담에서와 같이 에너지 의미를 사물로 상징적으로 표현하고 있었으며, 에너지 전환 개념을 사물의 이동 및 변화로 구분하는 모습을 보였다. 특히, 1수준 범주로 분류된 학생 6명 중 3명이 건전지의 모습을 그림으로 나타내었는데, 건전지의 특징과 역할이 에너지와 에너지의 전환과 보존을 가장 잘 나타낸다고 유사하게 사고하고 있는 모습을 발견할 수 있었다.

Figure 1. Illustrative representations of energy conversion and conservation of Level 1 students.

2) 2수준 학생의 특징

2수준으로 분류된 학생들은 에너지와 에너지 전환의 관련성을 단편적으로 설명하고 있었으며, 에너지 보존에 대한 설명에 오개념을 가지는 것으로 나타났다. 아래는 2수준으로 분류된 학생들의 추가 면담의 내용을 나타낸 것이다.

(2수준 학생의 에너지 정의와 에너지 전환 및 보존 관련 면담 내용)

교사: 에너지가 무엇인지 말해줄 수 있니?

영재학생 9: 에너지는 불을 켤 때 필요한 것, 다리미를 데우는 데 필요한 것이라고 할 수 있어요.

교사: 에너지는 불을 켤 때만 사용될까?

영재학생 9: 글쎄요.... 그럼 에어컨을 작동할 때도 쓸 수 있는 것이라고 할게요.

교사: 에너지 전환은 무엇이니?

영재학생 9: 에너지를 다른 것으로 바꿔서 사용하는 것이요.

교사 : 에너지 전환을 롤러코스터를 이용해서 설명해줄 수 있니?

영재학생 9: 음.. 롤러코스터에서 레일을 따라 움직이면 내려갈 때 속력이 빠르게 되잖아요. 다시 올라갈 때는 그 속력을 어느 정도 이용해서 움직이는 것이 에너지 전환 아닌가요?

교사: 그럼 에너지는 보존된다고 생각하니?

영재학생 9: 네, 한 에너지가 다른 한 에너지로는 전환이 가능하니 에너지는 보존된다고 생각해요.

(2수준 학생의 에너지 전환 관련 면담 내용)

교사: 에너지는 전환된다고 생각하니?

영재학생 22: 네, 에너지는 전환된다고 생각해요. 다리미를 껐다가 켰다가를 반복하면 에너지 전환이 되잖아요.

영재학생 9와 영재학생 22는 에너지를 불을 켤 때 필요한 것과 같이 단편적인 사건을 통해 이해하고 있었다. 하지만 에너지를 불을 켤 때만 사용하는 것인가? 라는 질문에는 자신 있게 대답하지 못하였으며, 에어컨을 켤 때도 사용하는 것과 같은 또 다른 단편적인 현상만 나열하고 있었다. 에너지 전환에 대한 롤러코스터의 예시 적용 질문에서는 내려갈 때 속도를 이용하여 올라간다는 대답으로 미루어 봤을 때 운동에너지와 위치에너지 개념을 어느 정도 가지고 있다고 판단되나 단편적인 방식으로 이해하고 있었다. 에너지 보존에 관한 개념은 한 에너지가 다른 한 에너지로만 완전히 전환되어 전체 에너지는 보존된다는 오개념을 가지고 있었다. 이처럼 2수준으로 분류된 학생 25명 중 15명이 에너지 전환의 현상적인 측면에 초점을 맞추어 이해하고 있었다.

(2수준 학생의 에너지 보존 관련 면담 내용)

교사 : 하나의 에너지가 다른 에너지로 전환 될 때, 전체 에너지는 보존된다고 생각하니?

영재학생 16: 아뇨, 에너지는 보존되지 않는다고 생각합니다.

교사: 왜 그렇게 생각하는지 말해줄 수 있니?

영재학생 16: 에너지를 전환하려면 그만큼 또, 에너지가 들어가야 하잖아요. 그래서 에너지는 보존되지 않는다고 생각됩니다.

교사 : 그럼 혹시 에너지가 전환하는 데 또 에너지가 들어가는 우리 주변의 예는 뭐가 있을까?

영재학생 16: 예전에 부모님과 함께 풍력발전소에 가본 적이 있었습니다. 설명 듣기로 바람이 불어와서 풍차를 돌리고 그때 생긴 회전력으로 전기를 만든다고 했는데, 뭔가 전기를 만들려면 모터를 돌려야 하잖아요. 그럼 모터를 돌리는 데 또 에너지가 소모되어야 하니, 에너지가 전환하는 데 더욱 에너지가 들어가는 것이라 할 수 있죠.

영재학생 16은 에너지 보존 법칙을 이해하지 못하고 있었다. 우선, 풍력발전에서 풍차를 돌려 전기를 생산할 때, 또 다른 모터를 돌리는 힘이 필요하여 에너지 전환에 더욱 많은 에너지가 필요하다고 답하는 것으로 볼 때, 에너지 보존 법칙에서 전제를 하고 있는 고립계의 의미를 이해하지 못한 것으로 보였다. 이와 비슷하게 전체 학생의 약 23%(14명)가 에너지가 전환될 때, 다른 에너지 소모가 필요하다는 대답으로 에너지가 보존되지 않는다고 대답하였다. 또한, 자신의 경험에 비추어 과학적 개념을 이해하려 하였는데, 과학적 개념과 다른 일상생활의 개념을 흔히 사용하는 미분화된 개념을 보였으며, 일부 상황 의존적 사고를 보이는 것으로 나타났다.

Figure 2는 2수준 범주로 분류된 학생들이 표현한 에너지 전환과 보존에 대한 그림 표현이다. 이 범주의 학생들은 면담에서와 같이 사물이 나타내는 현상 및 사건으로 에너지를 표현하는 모습을 볼 수 있었다. 집안의 전구가 밝게 빛나는 모습으로 에너지 전환을 표현하였고, 전기 오븐이 열에너지를 발생하는 모습과 휴대전화가 콘센트를 통해 충전되는 모습으로 한 에너지가 오로지 한 에너지로 전환되는 것을 표현하기도 하였다. 또한, 2수준 범주로 분류된 학생 25명 중 23명은 에너지 전환의 모습만 표현하였으며, 에너지 보존을 표현한 2명도 정확하게 개념을 이해하여 그림으로 나타내지 못하였다.

Figure 2. Illustrative representations of energy conversion and conservation of Level 2 students.

3) 3수준 학생의 특징

3 수준 범주로 분류된 학생들은 에너지와 에너지 전환에 대하여 주변의 예시와 상호관련성을 적절하게 사용하여 설명하고 있었다. 하지만 에너지 보존에 대한 설명이 어느 정도는 과학적이나, 잘못된 비유의 선택 및 약간의 오개념으로 인하여 논리 정연한 설명이나 시스템적 이해를 하지 못하는 한계를 보이기도 하였다. 아래는 3수준 범주로 분류된 학생의 면담 내용을 나타낸 것이다.

(3수준 학생의 에너지 정의와 에너지 전환 및 보존 관련 면담 내용)

교사: 에너지란 무엇이라 생각하니?

영재학생 27: 어떤 것을 작동하게 하는 원동력이라 생각합니다.

교사 : 그럼 동물이나 식물도 에너지를 가지고 있다고 생각하니?

영재학생 27: (약간 주저하며) 동물은 움직이기 위해 에너지가 필요하고...식물도...움직이지는 않지만 광합성을 하기도 하고... 태양이 주는 에너지를 받을 수 있으니 에너지가 있는 셈이죠.

교사: 주변에서 에너지 전환의 예를 한번 들어보겠니?

영재학생 27: 얼마 전에 TV에서 봤는데요. 쓰레기나 재활용품 등을 태우거나 이것을 압축해서 다른 에너지 형태로 만들더라고요. 저는 이것을 에너지 전환이라고 생각했어요.

교사 : 그럼, 쓰레기를 태울 때는 어떤 에너지 전환이 일어나는 거니?

영재학생 27: 쓰레기가 가지고 있던 에너지가 연기를 내면서 타게 되고, 그게 열에너지를 방출시키는 것이죠. 또한, 태우면서 나는 소리도 에너지를 가질 것 같아요.

교사 : 그러면 방출된 열에너지가 다시 쓰레기로 돌아갈 수도 있을 것 같니?

영재학생 27: 그렇죠, 어떠한 형태로든 우리 주변의 쓰레기가 될 수도 있고...반대 방향도 뭐...가능하지 않을까요?

영재학생 27은 에너지를 어떤 것을 작동하는 원동력이라 설명하고 있었다. 이는 에너지의 일 할 수 있는 측면을 어느 정도 설명한 개념이해라고 볼 수 있다. 하지만 조금 더 개념을 확장하기 위하여 동물과 식물이 가진 에너지에 대하여 질문을 하였을 때, 학생은 순간적으로 움직이고 일하는 능력적 측면의 개념에만 집중을 하여 식물에 대해서는 주저하는 모습을 보였다. 이는 영재 학생들이 식물들은 동물의 배경 정도로만 여기고 인간 생활과 에너지 활동에서 중요한 역할을 하지 못한다는 인식이 작용한 것으로 [38]의 연구 결과와 유사하다고 볼 수 있다. 또한, 영재학생은 에너지의 전환에 대하여 1수준 및 2수준으로 분류된 학생들보다 훨씬 유연하게 인식하고 있어, 한 에너지가 다양한 에너지로 전환할 수 있는 속성을 이해하고 있었다. 하지만 에너지 흐름적인 측면에 있어 방향성에 대한 정확한 개념 인식이 부족하여 방출된 열에너지가 다시 반대 방향으로 스스로 돌아갈 수도 있다는 인식을 일부 허용하고 있었다. 이는 에너지 전환과 흐름에 대한 시스템적 이해가 부족하다고 볼 수 있다. 이처럼 3수준 범주로 분류된 영재학생 중에 에너지 흐름의 가역성과 비가역성에 대한 이해가 부족한 학생들이 관찰되었는데, 전체 학생 중 20%(12명)가 유사한 대답을 하였다.

(3수준 학생의 에너지 전환 및 보존 관련 면담 내용)

교사 : 롤러코스터의 에너지 전환에 대하여 설명해줄 수 있니?

영재학생 37: 롤러코스터가 내려오면서 생기는 속도 에너지가 마찰 에너지, 열에너지로 바뀌는 것이 에너지 전환인 것 같아요.

교사 : 방금 이야기 한 마찰 에너지도 롤러코스터가 내려가면서 전환된 에너지라고 생각했다는 말인거니? 그럼 전체 에너지는 전환하면서 보존이 될까?

영재학생 37: 네, 에너지는 보존이 되고요. 얼마 전 기차를 탔는데, 도착역에서 기차가 멈췄는데요. 멈추는 과정에 레일에서 끼익하는 마찰음이 발생했어요. 그래서 마찰음이 발생하니 마찰 에너지가 있을 것이고, 그리고 큰 열차가 멈춰야 하니 열에너지가 나오는 것과 비슷한 것 아닐까요?

마찰력은 비보존력이고, 운동의 반대방향으로 작용하여 항상 음의 일을 하게 되는데, 이러한 작용이 엄밀하게 말하면 역학적 에너지를 감소시키는 요인이다. 그래서 열에너지를 도입하여 마찰로 인해 작용하는 전체 에너지의 감소를 상쇄시켜 에너지는 보존된다는 법칙이 성립한다. 하지만 영재학생 37은 이러한 개념이 부족해 마찰 에너지와 열에너지가 함께 발생한다고 생각하고 있었으며, 이는 에너지 보존 개념에 대한 오개념이 되는 것이다. 이처럼 3수준으로 분류된 학생 중 10%(6명) 이 에너지 전환에 대한 잘못된 개념을 일부 가지고 있었고, 그것이 에너지 보존법칙의 오개념으로 이어졌다.

Figure 3은 3수준 범주로 분류된 학생들의 에너지 전환과 보존에 대한 것을 그림으로 나타낸 것이다. 학생들은 한 에너지가 다른 여러 개의 에너지로 전환되는 모습을 다양한 그림으로 표현하고 있었으며, 에너지가 흘러가는 모습을 단계적으로 나타낸 학생(9명)과 등호와 수식을 통하여 에너지 보존을 표현한 학생(7명)이 있었다. 또한, 에너지의 일부 비가역적인 특징을 전체가 가역적인 것으로 표현한 학생(10명)과 에너지의 전환과정을 인과식으로 나열하는 학생(4명)도 관찰되었다. 이는 전반적으로 학생들이 단순한 인과적 사고를 하며, 속성의 변화과정을 단순한 원인과 결과의 연속으로 설명하려는 연구 결과 [39]와 유사하다고 할 수 있지만 에너지 전환과 흐름에 대한 시스템적 이해는 부족하다고 할 수 있다.

Figure 3. Illustrative representations of energy conversion and conservation of Level 3 students.

4) 4수준 학생의 특징

4수준 범주로 분류된 학생들은 에너지 간의 상호작용에 의한 에너지 전환과 에너지 보존에 대한 설명이 논리적이 었으며, 적절한 비유를 사용하여 설명하고 있었다. 아래는 4수준 범주로 분류된 학생의 면담 내용을 나타낸 것이다.

(4수준 학생의 에너지 정의 관련 면담 내용)

교사: 에너지가 무엇인지 설명해줄 수 있니?

영재학생 49: 에너지는 어떤 물체가 가지고 있는 힘을 뜻하기도 하고, 사람이 낼 수 있는 힘을 나타내기도 해요. 다시 말해서 어떤 일을 할 수 있는 능력이에요.

교사: 에너지가 사용되는 예시를 들어 줄 수 있니?

영재학생 49: 정말 많아요. 전기를 켤 때나 자동차를 움직일 때나, 빛을 낼 때 모두 에너지가 사용된다고 할 수 있어요. 그리고 사람들이 운동을 할 때 에너지가 소비되었다고도 하잖아요. 이때도 에너지가 사용되었다고 할 수 있어요.

영재학생 49는 3수준 범주로 분류된 학생보다 에너지를 포괄적으로 이해하고 있었다. 물체가 가진 힘으로 이해하고 있었으며, 에너지와 일의 연관성도 어느 정도 이해하는 모습을 보였다. 또한, 에너지가 사용되는 예시를 언급할 때에도 단순히 사물과 주변 가전제품만 언급하였던 앞의 수준과 달리 사람들이 운동할 때의 에너지 소비도 함께 언급하였다.

(4수준 학생의 에너지 전환 및 보존 관련 면담 내용)

영재학생 36: 에너지 전환은 어떤 에너지가 다른 에너지로 바뀌는 것을 에너지 전환이라고 합니다. 일상에서의 예시는 선풍기 날을 돌릴 때 전기에너지가 선풍기 날개의 운동에너지로 바뀌는 것도 있고, 라디오나 TV 같은 경우에는 전기에너지가 소리에너지, 빛 에너지 등으로 변하는 것을 예로 들 수 있어요. 이를 통해서 우리 생활에 이용할 수 있는 에너지도 얻을 수 있어요.

교사 : 에너지가 전환할 때 전체 에너지는 보존된다고 생각하니?

영재학생 36: 네, 에너지의 총합은 보존됩니다. 하지만 에너지가 전환되면서 손실이 일어나 사용할 수 있는 에너지는 줄어들기도 합니다.

교사: 어떤 손실이 일어나는지 롤러코스터의 예로 자세하게 말해줄 수 있니?

영재학생 36: 롤러코스터가 내려올 때 위치에너지가 운동 에너지로 전환되어요. 그러면서 마찰로 인해 열에너지가 발생하는 데, 손실되는 에너지까지 포함하여 전체 에너지의 총합은 같지만 우리가 이용할 수 있는 에너지는 그만큼 줄어든다는 뜻이에요.

영재학생 36은 에너지 전환의 개념을 적절한 예시와 함께 정확하게 이해하고 있었다. 특히 에너지와 관련된 용어 사용이 다른 수준에 있는 학생과 비교할 때 정확하였으며, 에너지 보존의 개념도 잘 정립되어 있었다. 3수준으로 범주화된 영재학생 37과 달리 마찰로 인해 발생한 열에너지와 마찰 에너지의 구분이 뚜렷하였다. 이와 같이 4수준 범주로 분류된 학생 전원(8명)이 에너지 전환의 적절한 예시를 들 수 있고 에너지 보존 개념의 올바른 정립이 되어 있었다.

Figure 4는 4수준 범주 학생들의 그림 표현을 나타낸 것이다. 4수준의 학생들은 에너지가 보존되고 전환하는 일련의 과정을 적절한 용어와 상황으로 보여주고 있었다. 특히, 간단한 수식을 활용하여 상황을 부가 설명하고 있었으며, 공통으로 위치에너지와 운동에너지라는 용어를 사용하는 모습도 보였다. 일부 학생은 위치에너지와 운동에너지의 합이 보존된다는 개념을 넘어 에너지가 전환되는 과정에서 열에너지가 발생할 수 있고 이것이 물체의 운동에 영향을 미칠 수 있지만, 전체 에너지의 합은 항상 일정하다는 상위 학교급에 해당하는 이해수준을 보이기도 하였다.

Figure 4. Illustrative representations of energy conversion and conservation of Level 4 students

Table 6은 각각의 수준으로 분류된 학생들이 그림으로 에너지 전환을 표현할 때 사용한 에너지 개념 수 및 에너지 단계 수와 에너지 보존을 표현할 때 사용한 표현의 방식을 정리한 표이다. 1수준으로 분류된 학생은 에너지 전환에 대하여 대부분이 한 개의 에너지 개념만을 표현하는 모습을 보였고 에너지 전환의 단계를 잘 엮어내지 못하였다. 또한, 에너지 보존 표현은 1수준으로 분류된 학생 전원이 표현하지 못했다. 2수준으로 분류된 학생은 대부분 에너지 개념을 2개 이상 사용하였으나, 전환의 단계를 다양하게 풀어내지 못하고 0개, 1개의 단계만 표현하였다. 그리고 에너지 보존 표현은 1수준의 학생과 같이 대부분이 표현하지 못했다. 3수준으로 분류된 학생은 많은 학생이 3개 이상의 에너지 개념을 사용하였고, 에너지 전환의 단계도 대부분 2개 이상 표현하였다. 에너지 보존 표현 역시 대부분 학생이 그림에 나타내었는데, 수식 및 등호 표현으로 추상화하지 못하고 간략하게 그림으로 표현하려는 모습을 보였다. 4수준으로 분류된 학생은 에너지 사용 개념 수와 에너지 전환 단계 수가 대부분 3개 이상 사용한 것으로 나타났다. 에너지 보존 표현은 많은 학생이 수식 및 등호로 추상화하였다.

Table 6 The pictorial representation statistics on energy conversion and energy conservation of primary science gifted students.

	Energy conversion expression (number of students)								Energy conservation expression (number of students)
	number of energy concepts used				number of energy steps used				equal sign/expression	represented by pictures	etc expression	no expression
	0 units	1 units	2 units	3 units	0 units	1 units	2 units	3 units
Level 1	1	5	0	0	4	2	0	0	0	0	0	6
Level 2	0	4	18	3	5	16	4	0	0	1	1	23
Level 3	0	1	9	11	1	2	13	5	7	8	5	1
Level 4	0	0	2	6	0	1	1	6	5	2	1	0
total	1	10	29	20	10	21	18	11	12	11	7	30

본 연구는 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 연상을 기초 조사 격으로 파악하는 것과 함께 에너지 개념에 대한 이해수준을 4개로 범주화시켜 영재학생들이 에너지에 대하여 어떤 개념을 떠올리고 있는지와 에너지 개념에 대하여 어떤 수준으로 이해하고 있는지를 알아보는 연구이다. 본 연구의 결과를 토대로 결론을 제시하면 다음과 같다.

첫째, 초등 과학영재 학생들이 에너지 개념에 대하여 연상한 것 중에는 전기 및 전자제품 범주에서 빈도수가 가장 많았으며, 그중에서 전기를 가장 많이 연상하였다. 설사 전체 범주로 확대하더라도 TV, 냉장고, 선풍기 등에서 높은 빈도수를 볼 수 있었는데, 이것은 일상생활에서 흔히 접하고 주변에서 쉽게 관찰할 수 있는 것에 투영하여 개념을 이해하는 속성이 반영된 것으로 해석되었다. 또한, 자연환경 및 자원, 운송수단 범주가 뒤를 이어 많은 빈도수로 나타났고, 절약과 음식물 범주 속의 드링크와 같이 과학적인 에너지 개념과 거리가 있는 것도 있었다. 학생들이 연상한 에너지 개념 중에 가장 중요하다고 생각한 개념은 전기였고, 태양, 자동차 힘 등을 선택한 학생들도 있었다. 전기는 연상한 빈도수와 가장 중요하다고 생각한 개념 수에서 최다 빈도로 선택을 받았는데, 이는 일상생활에서의 필요성이 크게 반영된 결과로 보인다.

둘째, 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 이해수준 측정을 설문 문항과 면담을 통해 진행하였고 그 결과 영재학생 60명을 1수준부터 4수준까지 단계별로 분류할 수 있었다. 1수준으로의 분류는 6명의 학생이 분류되었으며, 2수준은 25명, 3수준은 21명, 4수준은 8명의 학생이 분류되었다. 1수준 범주에 속한 학생은 에너지 개념을 단편적인 사물에 투영하여 이해하고 있었으며, 에너지 전환에 대한 비과학적인 사고와 더불어 에너지 보존에 대한 개념을 형성하지 못했다. 2수준에 속한 학생은 에너지를 현상 및 사건으로 설명하였고, 에너지 전환을 이해하되, 한 에너지가 한 에너지로 전환되는 것과 같은 오개념을 지니고 있었다. 에너지 보존에 대한 개념은 비과학적으로 형성되어있어 에너지 전환을 하는 데에 또 다른 에너지 소모가 필요하다는 식의 생각이 많이 보였다. 3수준에 속한 학생은 에너지와 에너지 전환을 주변의 적절한 예시를 통해 이해하고 있었으며, 에너지 보존 개념 역시 전 단계의 학생들과 비교할 때 명확하고 유연한 사고를 가지고 있었다. 다만, 에너지가 전환될 때 비가역적 특성을 고려하지 않는 모습과 단순한 인과식 나열 등으로 에너지 전환과 보존에 대한 시스템적 이해는 부족하였다. 4수준에 속한 학생들은 에너지를 일의 개념으로 이해하고 있었다. 또한, 에너지 전환과 에너지 보존 개념의 이해에 있어 과정에 근거한 시스템적 접근방법을 취하고 있었으며, 앞의 단계 학생들이 흔히 보이는 오개념을 가지지 않았다.

에너지는 매우 복합적인 개념으로 개념의 위계, 학습 발달 과정에 대해 많은 연구가 필요한 주제이자[8], 교육과정 개편 시 학생들의 수준에 맞도록 적절한 내용을 제시해야 할 주제이다. 따라서 현재 수준에서 학생들이 어떠한 개념인지를 하고 있는지 파악하는 것이 중요하며, 과학 개념의 기초를 다져가는 시기인 초등학교 학생들에게는 더욱 필요한 작업이다. 특히, 과학영재 학생들은 일반 학생들보다 뛰어난 학습 능력과 인지 능력을 가진 만큼 효과적인 과학영재 교육이 되려면 그들이 가지고 있는 개념 인지에 대하여 선제적 파악이 필수적이다. 하지만 본 연구의 결과에서는 초등 과학영재 학생들도 상당 부분 에너지 개념이해수준 차이가 있었으며 오개념을 가진 경우가 많았다. 물론 과학영재를 선발하는 과정과 지역별 격차 등의 환경적인 요인은 분명하게 있지만, 통상적으로 과학영재 학생들은 무조건 우수하다는 막연한 인식에 대한 생각을 다시 한번 하게끔 만드는 연구 결과라고 할 수 있다.

본 연구의 결론에 근거하여, 후속 연구를 제언하면 다음과 같다. 첫째, 본 연구는 초등 과학영재 학생들의 에너지 개념에 대한 연상 및 이해수준을 측정한 연구이다. 하지만 초등학교 교육과정에서 에너지를 다루는 부분이 극히 협소하고 제한적이기 때문에 에너지 개념에 대한 학습이 부족할 수 있다고 판단된다. 이러한 연유로 에너지와 관련된 개념에 있어 다양한 응답과 그에 따른 새로운 의미를 찾는데에도 한계점이 있었다. 따라서 본 연구의 범위를 상위 학교급으로 확장하여 에너지 개념에 대한 전반적인 인식조사와 수준별 범주화를 시도한다면 더욱 의미 있는 결과를 얻을 수 있을 것이다. 둘째, 초등 과학영재 학생들을 대상으로 연구한 결과 예상과 달리 에너지 개념에 상당한 오개념을 가진 것으로 확인되었다. 2009 개정 교육과정과 달리 2015 개정 교육과정에서는 5 – 6학년군에 에너지와 생활을 다루는 통합단원이 다시 초등학교 교육과정의 범위로 포함된 만큼, 이를 고려하여 영재학생을 지도하는 올바른 에너지 개념의 교수-학습 지도방안과 학습 자료가 개발되어야 할 것이다. 셋째, 초등학생들을 대상으로 에너지의 시스템적 요소를 강조하고 학습할 수 있도록 알맞은 교육 내용과 자료를 개발해야 할 것이다. 에너지는 흐름과 전환, 보존, 순환 등의 과정을 거치는 복합적인 개념이고 일종의 ‘계’를 이루고 있다. 이러한 ‘계’를 올바르게 이해하기 위해서는 에너지의 시스템적 요소를 교육과정에 포함하여 서술하는 것이 필요하다고 할 수 있다. 하지만 초등학생을 대상으로 지나치게 학습 난이도가 높아질 수 있다는 점에 대한 우려도 충분하게 고려되어야 할 것이다. 넷째, 본 연구에서 시도한 에너지 개념의 이해정도 수준 측정이 외에도 다른 관점의 방법을 이용하여 새로운 이해를 시도할 필요가 있다. 이를 통하여 학생들 개개인의 개념 인식을 분명하게 확인하고, 그것이 반영된 교육과정 및 교수 전략을 명확하게 세운다면 보다 효율적이고 효과적인 교육 방법을 찾는데, 도움이 될 것으로 생각된다.