npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2023; 73: 336-349

Published online April 30, 2023 https://doi.org/10.3938/NPSM.73.336

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Experimental Performance Characteristics of Elementary School Students in Measuring Extended Length of Spring with Weight

‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험에서 초등학생의 실험 수행 과정 특성 분석

Jung Yun Shin1*, Sang Woo Park2

1Baeul Elementary School, Daejeon 34022, Korea
2Science Education Department, Cheongju National University of Education, Cheongju 28690, Korea

Correspondence to:*E-mail: sjyun96@korea.kr

Received: January 11, 2023; Revised: February 13, 2023; Accepted: March 10, 2023

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’ experimental performance in measuring the spring length extension with weight. The characteristics of experimental performance for 12 elementary school students from 3rd to 5th grade were analyzed on the basis of the recordings of the experimental process, researcher’s observation notes, student's activity sheets, and post-interview data. Results revealed that the students did not recognize the need to accurately decorate the experimental device, elaborate the procedure for precise measurement, and use a zero-point control weight. They also had difficulty recording the measured experimental data. Some students drew conclusions that did not reveal regularity, while some drew conclusions that revealed regularity but ignored or distorted the measured values.

Keywords: Experimental performance, Difficulty in experiment, Measuring Weight, Spring length

이 연구에서는 ‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험에서 초등학생의 실험 수행 과정의 행동 특성과 어려움을 분석하였다. 초등학교 3–5학년 학생 12명에게 4학년 1학기 ‘물체의 무게’ 단원의 ‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험을 수행하게 한 뒤, 학생의 실험 과정 녹화 자료, 연구자 관찰 노트, 학생 활동지, 사후 면담 자료를 수집하여 분석하였다. 연구 결과, 학생들은 실험 장치를 정확하게 꾸미고 측정을 정교하게 해야 함을 인식하지 못했고, 영점조절용 추 사용의 필요성을 인지하지 못했다. 학생들이 만든 실험 장치는 덜 안정적이었고, 용수철이 늘어난 길이 측정을 정교하게 하지 않았기 때문에 표에 기록된 측정값으로 규칙성을 쉽게 찾지 못했다. 일부 학생들은 증거를 바탕으로 규칙이 드러나지 않은 결론을 내렸고, 또 다른 학생들은 규칙이 드러나는 결론을 내렸지만 측정값을 무시하거나 측정값을 왜곡하는 행동을 보였다.

Keywords: 실험 수행 과정, 실험의 어려움, 무게 측정, 용수철 길이

1. 연구의 목적 및 필요성

실험은 자연과학의 고유한 탐구 방법이자[1], 과학 교과의 핵심적인 교수학습 방법으로[2], 과학 개념의 이해, 과학 탐구 능력의 습득, 과학적 태도 및 과학의 본성에 대한 이해 등의 과학교육 목표 달성에 필요한 유용한 전략으로 활용되어왔다[3]. 또한 실험 수업은 학생들에게 현상을 새롭게 탐색할 수 있는 구체적인 학습 경험을 제공하며[4], 절차적 지식과 개념적 지식 향상[5], 과학에 대한 동기 부여와 흥미 유발 등에 긍정적인 영향을 준다[6]. 이 때문에 학교 현장에서는 최적의 실험 기기와 장치의 구비, 실험 시수의 확대, 교수학습 자료의 개발 등의 노력을 통해 학생들의 실험 수행 능력 향상을 꾀하여 왔다. 이런 노력에도 불구하고 학교 실험 활동에 관한 최근 연구에서 학생들은 실험 목적이나 실험 과정을 잘 이해하지 못하고, 교과서에 서술된 내용이나 교사의 지시대로 실험을 따라 하는 등 실험에 대한 이해와 기능이 부족하며[7, 8], 실험 활동에서 어려움을 겪는다고 보고되었다[9-11].

‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험은 6차 교육과정(1992) 이래 초등학교 과학 교과서 ‘물체의 무게’ 단원에서 항상 다루었던 실험이다. 2015 개정 교육과정에 따른 과학과 국정 교과서(2018) 및 검정교과서(2021)에서도 공통적으로 무게의 의미와 용수철저울의 원리를 학습하기 위해 추의 무게와 늘어난 용수철의 길이 사이의 관계를 알아보는 실험 활동을 제시하고 있다[12]. 이 실험에서 학생들은 추의 무게에 따라 늘어난 용수철의 길이를 측정하는 장치를 만든 후, 추 한 개를 차례로 걸면서 늘어난 용수철의 길이를 측정함으로써 무게에 따라 용수철이 일정하게 늘어남을 이해하게 된다. 이를 통해 학생들은 용수철저울의 원리를 익힘과 동시에 정량적인 실험 데이터를 수집하여 분석하는 능력을 습득할 수 있다.

Park & Jhun에 따르면 4학년 학생들은 무게 단원 수업에서 몇 가지 어려움 때문에 용수철 관련 실험을 정확히 수행하지 못하거나 관련 개념을 이해하지 못했다[9]. 특히 ‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험과 관련하여 4학년 학생들은 소수의 뺄셈을 학습하지 않아 용수철이 늘어난 길이를 계산하지 못하며, 과압축된 용수철에 추 2개를 달아 측정해야 함을 이해하지 못했다[9]. 또한 스탠드에 건 용수철이 흔들려 용수철의 길이를 정확하게 측정하지 못했으며, 용수철이 늘어난 길이와 전체 용수철의 길이를 구분하지 못하는 등의 어려움이 있었다[9]. 이에 따라 2015년 개정 교육과정에 따른 국정 과학 교과용 도서에서는 실험 활동에서 학생들이 겪는 어려움을 해결하기 위해 실험 내용과 실험 준비물을 개선하고 교과서와 실험 관찰 책에 실험 과정과 방법을 자세히 안내하였으며, 2018년부터 학교 현장에 적용되었다. 이에 선행연구에서 지적된 학생들의 실험 활동에서의 어려움이 2015 개정 교육과정에 따른 교과서를 통해 해소되었는지 평가할 필요가 있다.

선행연구들에서는 학생을 대상으로 설문지, 면담, 단원 평가지를 수집하고 교사를 대상으로는 설문지, 면담, 자기 성찰지를 수집하여 실험 수행에서의 어려움을 탐색하였다. Lee & Lee는 물리 교사를 대상으로 설문을 실시하여 고등학교 물리 교과서에 제시된 실험을 지도할 때의 어려움 정도와 어려움의 요인을 분석하였고[11], Kim & Hyun은 전자석 관련 실험 수업에서 나타나는 어려움을 분석하였다[10]. 그러나 회상에 따른 자기 보고식 설문이나 면담 방법만으로는 교과서에 제시된 실험 중 교사나 학생이 어려워하는 실험 주제들이 무엇인지 확인하고 그 이유를 탐색할 뿐 실험 수행 과정에서 나타난 학생들의 구체적인 특성과 어려움의 원인을 충분히 밝힐 수 없다는 점에서 연구의 한계를 갖는다. 실험 수행 능력과 관련된 연구를 살펴보더라도 그 주제가 알코올램프, 스포이트, 온도계, 눈금실린더 등 실험 기구 조작법[13, 14]이나 실험 기구의 명칭과 용도를 알고 있는지 분석하는데 집중하고 있어[14, 15] 학생들이 교과서에 제시된 실험을 수행할 때 어떤 능력이 부족한지 구체적인 정보를 제공하지 못했다. 실험 수행과정은 탐구의 전 과정을 포함하는 과학적 과정으로, 실험 기구를 다룰 수 있는 수공적 조작 기능에서부터 실험을 설계하고, 자료를 분석하고, 자료를 해석하는 인지적 탐구과정 기능을 모두 포함한다[16]. 따라서 학생들이 실제 실험을 수행할 때 실험 과정의 단계별로 어떤 특성을 보이는지 면밀하게 분석할 필요가 있다. 특정 주제에 대한 학생들의 실험 수행 능력을 심층적으로 조사하면 실험을 수행하는 전 과정에서 요구되는 학생들의 구체적인 수공적 조작 기능과 인지적 탐구과정 기능 특성을 확인할 수 있어 실험 수업을 현장에서 직접 지도하는 교사들과 교육과정 및 교과서 개발자들에게도 실험 수행과 관련된 실질적인 정보를 제공할 수 있을 것이다.

한편, 과학과 교육과정을 몇 차례 개정하는 동안 ‘물체의 무게’ 단원은 주로 4학년 1학기 과정에 배치되었지만[17-19], 2022 개정 과학과 교육과정에서는 ‘물체의 무게’ 관련 내용을 3학년 1학기 1단원에 배치하고 학생 수준에 맞게 내용을 구성하도록 하였다[20]. 물체의 무게에 따른 용수철의 길이 측정 실험은 과학과 교육과정 내용 중 가장 먼저 제시되는 정량적 실험이므로 학생의 학년 수준에 맞게 내용 구성을 적절하게 조정할 필요가 있다. 이에 3–5학년에 따라 해당 내용의 실험 수행을 잘하는지, 실제 실험을 수행할 때 어떤 행동 특성과 어려움을 나타내는지 등을 자세히 분석하고, 학년에 따른 실험 수행과정을 비교하는 것이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 2015 개정 교육과정 4학년 1학기 ‘물체의 무게’ 단원의 ‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험에 대하여 초등학교 3–5학년 학생들의 실험 수행 정도를 비교하고, 실험 수행에서 초등학생의 학년에 따른 실험 행동과 어려움의 특징을 분석한 뒤, 이 실험에 관한 교실 수업, 교육과정 개발 및 교과서 내용 개발에 주는 시사점을 논의하였다.

1. 연구 대상

본 연구는 D 광역시에 소재한 B 초등학교 3–5학년 학생들을 대상으로 이루어졌다. 과학 수업에 적극적으로 참여하면서도 자신 생각을 충분히 표현할 수 있는 학생을 연구 참여자로 선정하기 위하여 과학 학습 성취도에서 중간 이상의 평가를 받는 학생들로 한정하였다. 3–5학년 담임교사에게 연구의 취지를 설명하고 담임교사가 진행한 과학 수업에서 수행과정이나 성과물 평가에서 중, 상으로 평가된 학생들을 추천받은 후 연구자가 성비를 고려하여 최종 선정하였다. 연구 참여자는 각 학년 4명씩(남 6명, 여 6명) 총 12명을 선정하였다. 3학년 학생들은 ‘물체의 무게’ 단원을 통해 용수철의 성질에 대해 학습하지 않은 상태였으며, 4학년과 5학년 학생들은 해당 내용을 이미 학습한 상태였다. 연구 참여자로 선정한 사례들은 사례 수가 적고 무작위 선정이 아니었으므로 대표성을 띠기 어려운 연구의 한계를 지닌다. 구체적인 연구 참여자 정보는 Table 1과 같다.

Table 1 Participants.

Participant code3A3B3C3D4E4F4G4H5I5J5K5L
Grade3rd3rd3rd3rd4th4th4th4th5th5th5th5th
GenderFMFMFMMFMMFF
Academic achievementHighMediumHighMediumHighMediumMediumHighMediumHighMediumHigh


2. 실험 과제 선정

본 연구에서는 2015 개정 교육과정에 따른 4학년 1학기 국정 교과서 ‘물체의 무게’ 단원에 있는 ‘물체의 무게와 늘어난 용수철의 길이는 어떤 관계가 있을까요?’ 차시에 제시된 탐구활동을 실험 주제로 선정하였다(Fig. 1).

Figure 1. (Color online) Experiment subjects for experimental performance [21].

이 실험의 목적은 추의 무게와 늘어난 용수철의 길이 사이의 관계를 알아보는 것인데, 학생들은 추의 무게와 용수철이 늘어난 길이를 변인으로 하여 추의 무게가 일정하게 늘어날수록 용수철의 길이도 일정하게 늘어난다는 실험 결론을 도출해야 한다. 이와 같은 실험 결론을 도출하기 위해서는 정확한 실험 데이터 측정이 요구되며, 몇 가지 사항들을 유의해 실험해야 한다. 용수철에 추를 걸 때 처음에는 용수철이 잘 늘어나지 않기 때문에 추 하나를 영점조절용 추로 먼저 걸어 놓고 실험을 해야 한다. 또한 추를 하나씩 추가하면서 용수철이 늘어난 길이를 정확하게 측정해야 하며, 이를 바탕으로 추 한 개마다 늘어난 용수철의 길이를 계산해야 한다.

3. 자료 수집

학생들은 교사의 도움 없이 1명씩 개별적으로 추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이를 측정하는 실험을 수행하였는데, 제공된 교과서를 충분히 읽은 후 교과서에 안내된 실험 방법에 따라 직접 실험 장치를 만들고, 추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이를 측정하였다. 이때 실험 결과를 학습지(Fig. 2)에 기록하게 하였는데, 학습지는 2015 개정 국정 교과용 도서 중 실험 관찰 책에 제시된 내용을 수정하여 제작하였다.

Figure 2. (Color online) Worksheet to record the results of an experiment.

실험 수행 중에는 학생들이 자신 생각을 사고 발성(Think-Aloud)하도록 하였다. 실험 수행 도중 필요하다면 언제든 교과서를 다시 볼 수 있게 하였고, 학습지 기록 역시 자유롭게 할 수 있도록 하였다.

또한 학생이 실험을 수행하는 동안 나타내는 실험 수행과정의 행동 특성을 수집하기 위해 선행연구[7, 9]를 참고하여 Table 2와 같이 실험 수행 능력 분석 틀을 개발하였다.

Table 2 Experimental performance analysis framework.

DivisionEvaluation content
Perform experimentsStep-by-step implementation of the experimental processCan students tell experiment objectives?
Can students tell what purpose the stand, spring, six 20-gram weights, paper ruler, and cellophane tape are used for?
Do students hang the spring on the stand and fix it?
Hang a 20 g weight on the hook at the end of the spring?
Do students set the scale 0 of the paper ruler to the end of the spring and fix it to the stand with cellophane tape?
Hang one more weight of 20 g and measure the length of the stretched spring with a paper ruler?
Do students measure the length of the spring with a paper ruler as they increase the number of weights one by one?
Recording of the experiment resultsDo students accurately measure and record the length of the spring that has increased when they hang while increasing the 20 g weight one by one?
Do students calculate the length of the spring stretched per weight?
Reflecting on the results of the experimentDo students check if the spring stretches when they hang the weight? If it does not stretch, do they modify the experimental device again?
Do students calculate the length of the spring stretched per weight, and check if there is a rule? If they can't find a rule, do they experiment again?
Analyze experiment resultsInterpretation of experimental results (drawing conclusions)Based on the experimental results, can students state the relationship between the weight and the length of the spring stretched? (If the weight on a spring increases uniformly, the length of the spring also increases uniformly.)


실험 수행 능력 분석 틀은 실험 목표 확인, 실험 준비물 확인, 실험 과정의 단계별 수행, 실험 기구의 사용, 실험 결과의 기록으로 구성된 ‘실험 장치 조작과 자료 수집’ 과정과 실험 결과 해석 및 결론 도출로 구성된 ‘실험 결과 분석’ 과정으로 구성하였다. 실험 수행 능력 분석 틀을 개발할 때는 과학교육전문가 2인과 초등과학교육 전공 대학원생인 초등교사 3인이 참여하는 연구 모임에서 여러 차례 논의되었고, 과학교육전문가 2인에게 내용 타당도를 의뢰하여 검증받았다.

연구자는 실험 수행과정에서 보이는 학생들의 행동을 관찰하여 실험 수행 능력 분석 틀에 상, 중, 하로 표시하였으며, 실험 도중 학생이 보이는 특이한 행동이나 말, 오류, 연구자의 의문점 등을 관찰 노트에 기록하였다. 일련의 모든 과정은 연구 참여자의 동의를 받아 녹화 및 녹음하였다. 학생이 실험 수행과 실험 결과 기록이 끝났음을 알리면 연구자는 녹화된 영상을 학생과 함께 보며 실험 수행과정에서 겪은 어려웠던 점 및 해결 방법 등에 관련된 반 구조화된 면담을 하였다. 구체적인 면담 질문은 Table 3과 같다.

Table 3 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?


4. 자료 분석

수집된 학생의 활동지와 전사한 면담 자료는 모두 문서화 하였고, 학생의 실험 수행과정 녹화 자료, 연구자 관찰 노트도 함께 분석하여 초등학생들의 실험 수행과정의 특징을 추출하였다. 학생의 행동이 기록된 녹화 자료, 실험 결과를 기록하고 분석한 활동지, 실험 수행과정의 어려움과 해결 방안에 관한 내용이 담긴 면담 자료 등 자료의 다각화를 통해 질적 연구에서의 타당도와 신뢰도를 확보하였다[22]. 이때 수집된 실험 수행 녹화 자료, 사후인터뷰 전사 자료, 연구자의 관찰 노트는 2인의 연구자가 분석 틀에 따라 각각 분석하고, 이를 상호 비교하였다. 분석한 결과가 두 연구자 사이에 일치하지 않는 경우 다른 연구자들과 함께 검토하고 논의하여 신뢰도를 확보하였다(평가자 간 일치도 0.91).

1. 실험 장치 조작 및 자료 수집 과정에서 초등학생의 반응 특성 분석

‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험에 대한 실험 장치 조작 및 자료 수집 과정에서 나타난 학생들의 반응을 범주화하고, 학년별 반응 수를 정리하면 Table 4와 같다.

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

StagesExperiment process described in the textbookCharacteristic of the students' responseNumber of students (N=12)
Error or notStudents' response types3rd (n1 = 4)4th (n2 = 4)5th (n3 = 4)
1Do students hang the spring on the stand and fix it?No errorsHang the spring on the ring, secure the spring with cellophane tape, and secure the ring to the stand.020
ErrorsE1Hang the spring on the ring and do not secure the spring with cellophane tape.424
E2Spring-loaded ring not securely fastened to the stand.424
2Hang a 20 g weight on the hook at the end of the spring?No errorsHang a 20 g weight on the ring at the end of the spring.221
ErrorsE3Didn't realize that one 20 g weight had to be pre-hanged until the experiment was finished.223
3Do students set the scale 0 of the paper ruler to the end of the spring and fix it to the stand ?No errorsAlign the scale 0 of the paper ruler with the end of the spring and attach the paper ruler to the stand post with cellophane tape.034
ErrorsE4Fixing the paper ruler without aligning the scale 0 of the paper ruler and other part of a spring.210
E5Created a device that could not measure the length of a stretched spring.200
4Hang an extra weight of 20 g and measure the length of the stretched spring with a paper ruler?No errorsHang one more weight of 20 g and accurately measure the length of the stretched spring.011
ErrorsE6Hang one more weight of 20 g and roughly measure the length of the stretched spring.322
E7The length of the extended spring cannot be accurately measured because the measurement standard or measurement method has changed during measurement.111
5Do students measure and record the length of the spring as they increase the number of weight one by one?No errorsAccurately measure the length of the extended spring while increasing the weight one by one and record the measured value in the table.011
ErrorsE8Measure the approximate length of the extended spring while increasing the weight one by one and record the measured value in the table.311
E9After measuring and obtaining the length of the extended spring when one weight is applied, the estimated value of the length of the next extended spring is recorded each time an additional weight is applied.022
E10Don't know how to record measurements in a table.100


1) 용수철을 스탠드에 걸어 고정하기

실험 과정의 첫 번째 단계에 관해 교과서에서는 ‘용수철을 스탠드에 걸어 고정합니다.’로 서술되어 있다. 실제 실험에서는 용수철의 윗 고리를 끼운 스탠드 링을 스탠드에 고정한 다음 셀로판테이프를 붙여 용수철이 좌우로 움직이지 않도록 고정하는 활동을 해야 한다. 셀로판테이프로 용수철 고리와 고정 막대를 고정하지 않으면 추를 걸 때마다 용수철의 위치가 움직이면서 용수철이 좌우로 크게 진동하게 되고 늘어난 용수철 길이를 정확하게 측정하기 힘들다.

이 단계의 활동을 정확히 한 학생은 4G와 4H, 5J뿐이었다. 나머지 학생들은 스탠드 링에 용수철을 걸고 셀로판테이프로 고정하지 않았다. 또, 3B, 3D, 5K, 5L는 스탠드 홀더에 용수철을 건 링을 넣고 나사를 조이지 않아 실험하는 내내 링과 용수철이 흔들거리는 불편함도 있었다. 그러나 실험이 끝날 때까지 학생들은 이 조작이 실험하는 데 영향을 주었을 것으로 생각하지 못했다.

2) 용수철 끝의 고리에 영점조절용 추 한 개 걸어 놓기

실험의 두 번째 단계에 관해 교과서에서는 ‘용수철 끝의 고리에 20 g 중 추를 한 개 걸어놓습니다.’로 서술되어 있다. 이와 더불어 말 주머니에서 ‘처음에는 용수철이 잘 늘어나지 않기 때문에 추 하나를 먼저 걸어 놓고 실험을 시작해요’라고 서술되어 있으며, 추 한 개를 걸 때 용수철 몸통 끝과 종이 자의 눈금 0이 일치됨을 보이는 그림을 제공하였다(Fig. 3).

Figure 3. (Color online) Guidance on zero point adjustment of spring length measurement in textbook [21].

이 단계에서 학생들의 실험 수행과정을 살펴본 결과, 첫 시도에서 영점조절용 추를 먼저 건 학생들은 3A, 3B, 4E, 4H, 5L뿐이었다. 4F는 실험 결과와 이미 학습한 내용 사이에 차이가 나자 실험을 거듭했는데 네 번째 실험에서야 영점조절용 추를 걸지 않아서 늘어난 용수철의 길이가 달라졌음을 인식하였고, 4G는 교과서에 서술된 실험 과정을 보고 영점조절용 추를 걸어야 함을 인지하게 되었으나 활동지에는 표에 그런 표시가 없다고 생각하여 영점조절용 추를 걸지 않았다고 응답하였다. 5J은 면담에서 교사의 질문을 듣고 나서야 영점조절용 추를 걸어야 함을 스스로 깨닫기도 하였다. 나머지 학생들은 실험을 마칠 때까지 영점조절용 추를 걸어야 함을 몰랐는데, 영점조절용 추를 사용하지 않은 학생들은 추를 한 개씩 걸고 늘어난 용수철의 길이를 측정한 값에서 모두 오류가 있었다. 이들은 잘못된 실험 장치를 만들었기 때문에 정확하지 않은 실험을 예고하였다.

3) 종이 자를 스탠드에 고정하기

실험의 세 번째 단계에 관해 교과서에서는 ‘종이 자의 눈금 0을 용수철 끝에 맞추고 셀로판테이프로 스탠드에 고정합니다.’로 서술되어 있다. 실제 실험에서는 용수철의 고리에 영점조절용 추를 건 상태에서 종이자 눈금 0과 용수철 몸통의 아래 끝이 일치되도록 맞춘 뒤 셀로판테이프를 사용해 종이 자를 스탠드 기둥에 붙여야 한다. 이때 종이 자를 반듯이 편 채로 수직 방향으로 똑바로 세워야 하며, 종이자 눈금 0과 영점조절용 추를 건 용수철 끝이 일치하는지를 확인해야 한다. 학생들의 실험 수행과정을 관찰한 결과, 학생들은 Fig. 4와 같이 다양한 오류 유형을 보였다.

Figure 4. (Color online) Types of students' errors in the process of attaching paper rulers.

이 단계의 실험 과정은 교과서에 글과 그림으로 자세히 서술되어 있지만 3학년의 모든 학생은 종이 자의 눈금 0을 용수철 끝에 맞추지 않은 채 종이 자를 붙였으며, 면담에서도 그렇게 해야 함을 알아차리지 못했다. 3A는 종이 자를 용수철에 붙였는데, 이렇게 되면 추를 용수철에 걸어 용수철이 늘어나도 종이 자가 따라 움직이기 때문에 늘어난 용수철의 길이를 잴 수 없다. 3B는 종이 자의 눈금 0인 부분을 용수철 몸통 위 끝에 맞추어 붙이기만 하고 종이 자의 다른 끝은 약간 구부러진 채로 두었고, 자신이 만든 장치가 교과서 그림과 어떻게 다른지 인식하지 못했다. 3C는 종이 자의 눈금 0과 용수철 몸통 중간을 맞추어 종이 자를 고정했는데 면담 과정에서 종이 자의 눈금 0과 용수철 끝이 일치되어야 하는 이유에 대해 생각해 보게 했더니 비로소 깨닫고 수정하였다. 3D는 종이 자를 손으로 들고 용수철과 비교하면서 측정하였다. 4학년 중에서는 학생 3명이 종이 자의 눈금 0을 용수철의 한끝에 맞추어 고정하였으며, 4G는 종이 자의 눈금을 용수철과 비교하지 않고 스탠드에 고정하였다. 5학년 학생들은 모두 종이 자의 눈금 0을 용수철의 몸통 끝이나 고리 끝에 맞추어 고정하였는데, 5L는 처음 시도에서 이를 인식하지 못하다가 실험 과정을 여러 번 다시 생각하는 과정에서 가까스로 인식하게 되었다. 실험 두 번째와 세 번째 단계는 용수철에 영점조절용 추를 걸어 종이 자의 눈금 0에 맞추는 영점 조절과정인데, 스스로 두 단계 모두를 잘 수행한 학생은 4E, 4F, 4,H, 5J, 5L뿐이었다.

4) 20 g 중 추 한 개를 더 걸고 늘어난 용수철의 길이 측정하기

실험의 네 번째 단계에 관해 교과서에는 ‘20 g 중 추 한 개를 더 걸고, 늘어난 용수철의 길이를 종이 자로 측정해 봅시다’로 서술되어 있고, 추를 2개째 걸었을 때 늘어난 용수철의 길이, 즉 용수철의 몸통 끝이 닿은 부분을 점선으로 표시한 그림이 제시되어 있다(Fig. 5). 이 과정에서 학생들은 영점조절용 추가 걸려있는 용수철에 추 한 개를 더 걸 때, 늘어난 용수철 길이를 총이자에서 정확하게 읽고 활동지의 표에 기록하여야 한다.

Figure 5. (Color online) Picture on length of a stretched spring according to weight adding [21].

이 단계에서 4H와 5J만이 늘어난 용수철의 길이를 정확하게 측정하였고 나머지 학생들은 늘어난 용수철의 길이를 대략으로 측정하였다. 그들이 측정을 정밀하게 하지 않은 이유에 대해 면담한 결과, 3학년이 한 행동의 이유와 4, 5학년이 한 행동의 이유는 달랐다. 3학년 학생들은 정량적인 측정을 해본 경험이 없어서 용수철의 끝이 종이 자와 닿은 부분까지 눈높이를 맞추어 정확하게 재어야 함을 몰랐으며, 종이 자의 1 cm 단위보다 작은 눈금은 가장 가까운 자연수 값으로 근사하였다. 또 흔들리는 용수철이 멈출 때까지 기다리지 않고 눈대중으로 측정하는 모습을 보였다. 3D 학생은 영점조절용 추를 걸 때는 용수철의 몸통의 반까지만 재고, 추가로 추 1개를 걸 때는 용수철 전체 길이를 재는 등 측정 방법을 똑같게 해야 함을 인지하지 못했다. 4E와 4F는 용수철과 추가 위-아래 또는 좌-우로 흔들릴 때 용수철을 종이 자에 밀어 기대면서 측정하였는데, 3학년 학생들과 달리 소수 첫째 자리까지 기록했지만 정확한 값을 잰 것은 아니었다. 3D, 4G, 5K는 추를 걸 때마다 늘어난 용수철의 길이를 재는 방법이 바뀌었다.

5) 추의 개수를 한 개씩 늘려가면서 늘어난 용수철의 길이 측정하기

실험의 다섯 번째 단계에 관해 교과서에서는 ‘추의 개수를 한 개씩 늘려가면서 늘어난 용수철의 길이를 종이 자로 측정해 봅시다.’로 서술되어 있다. 이때 학생들은 용수철에 걸린 추 두 개에 20 g 중 추 한 개씩 늘려가면서 늘어난 용수철의 길이를 정확하게 측정하고, 측정값을 활동지에 제시된 표에 기록하여야 한다. 표는 영점조절용 추가 달렸을 때의 종이 자의 눈금을 0으로 하고 추를 한 개씩 걸 때마다 늘어난 용수철의 길이를 측정하여 적을 수 있게 칸 5개가 비어있고, 그 아래에 추 한 개마다 늘어난 용수철의 길이를 계산하여 기록하게 하고 있다(Fig. 6).

Figure 6. (Color online) Writing worksheet on the length of a stretched spring [23].

이 단계에서 4H와 5J만이 정확한 측정과 기록을 하였다. 3B, 3C, 3D는 앞 단계에서 했듯이 용수철에 매달린 추가 위아래로 계속 흔들리는데 측정을 계속하거나 늘어난 용수철의 길이를 대략 측정하고 표에 자연수로 기록하였다. 3A는 종이 자에는 길이 단위가 mm로 되어 있고, 표에는 cm로 되어 있어 mm 단위로 측정하여 2 cm 5 mm, 8 cm, 13 cm 5 mm 등으로 기록하였고 cm와 mm 단위가 함께 있는 길이의 뺄셈을 잘하지 못하여 측정값과 계산 값을 표에 잘 기록하지 못했다. 4G는 추 한 개를 걸 때 추의 고리 끝까지의 길이를 측정했는데 이는 늘어난 용수철의 길이를 측정하는 기준이 변경된 것이라서 정확한 측정이 될 수 없었다. 4E, 5I, 5L은 표의 두 번째 칸부터 측정값을 기록하지 않고 첫째 칸 값에서 구한 ‘추 한 개마다 늘어난 용수철의 길이’ 예상값을 더하여 표를 완성하였다. 자신이 예상했던 값과 비슷하게 용수철이 늘어나면 바로 활동지에 그 값을 기록하지만 그렇지 않을 경우 눈금을 재차 확인하는 모습을 보이며 자신이 측정한 값을 쓰지 않고 예상한 값을 쓰는 모습을 관찰할 수 있었다. 5I는 사후인터뷰에서 자신이 측정값을 정확하게 적지 않은 이유에 대해서 소수점 부분을 제외하고 대략으로 적어도 크게 문제가 되지 않고, 더 간단해서 좋다고 이야기하였다.

원하는 값과 비슷하게 용수철이 늘어나면 바로바로 활동지에 옮겨 쓰는데 그렇지 않을 경우 활동지에 쓰려다가 멈칫하고 다시 눈금을 확인함. 그 후 정확하게 측정한 값을 쓰는 것이 아니라 예상한 대로 씀.

(5L에 대한 관찰노트 중 일부)

처음 추를 하나 걸 때 2.5 cm가 늘어나자 2.5씩 더해서 늘어난 용수철의 길이 칸에 적음. 정확한 값을 읽어 늘어난 용수철의 길이를 측정하는 것이 아니라 이미 일정하게 늘어난다는 개념을 알고 있어 이를 적용해 칸을 채움.

(4E에 대한 관찰노트 중 일부)
연구자:

진짜 2, 4, 6, 8였어? 아니면 조금 2보다 넘치거나 작거나 했는데 소수점 부분을 뺀 거야? 어떻게 된 거야?

5I:

뭔가 뒤에 뭐가 좀 있어요. 대략으로 했을 때 이렇게 나왔어요.

연구자:

2.1이라고 적는 것보다 2라고 적는 게 더 좋을 거라고 판단했어?

5I:

네. 좀 더 간단하고. 이렇게 해도 큰 어려움은 없다. 상관없다고 생각해서.

(5I와의 면담 중)

4E는 늘어난 용수철의 길이 쓰는 칸과 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이를 쓰는 칸의 차이를 잘 이해하지 못한다고 말했으며, 5K도 표에 무엇을 재서 써야 하는지 모르겠다며 한참 동안 고민을 했다.

2. 실험 결과 분석 및 결론 도출 과정에서 나타난 초등학생의 반응 특성 분석

실험 결과를 분석하고 결론을 도출하는 세부 과정에서 나타난 학생들의 반응을 범주화 하고, 학년별 반응 수를 정리하면 Table 5와 같다.

Table 5 Analysis of students’ responses in experimental results and drawing conclusions.

CategoryCharacteristic of the students' responseNumber of students (N=12)
Error or notStudents' response types3rd (n1 = 4)4th (n2 = 4)5th (n3 = 4)
Analysis of experimental resultsDo students calculate the length of the spring stretched per weight?No errorsAccurately calculates the length of the spring stretched per weight based on the measured value.221
ErrorsE1Correct the measurements to make the length of the spring stretched per weight constant.023
E2Error in calculating length of stretched spring.200
See if there is a certain rule for the length of the spring extended per weight?No errorsWhen the rule for the length of the spring extended per weight was not constant, the experiment process was reviewed or retested.023
ErrorsE3It is strange that the length of the spring extended per weight is not constant, but the measured value is accepted.010
E4Since the length of the spring stretched per weight was not constant, the experiment was thought to have failed and the measured value was discarded.010
E5Failure to recognize that there is a rule in the length of an extended spring.401
Drawing conclusionsBased on their results, can they state the relationship between the weight and the length of the spring stretched?No errorsBased on the results of the experiment, write down the relationship between the weight and the length of the extended spring.021
ErrorsE6Regardless of the experimental results, write down the relationship between the weigh and the length of the extended spring.423


1) 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이 계산하기

실험 결과를 분석하기 위해 학생들은 자신이 측정한 용수철의 길이를 바탕으로 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이를 정확하게 계산하고 분석해야 한다. 측정값대로 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이를 정확하게 계산한 학생은 3C와 3D, 4E, 4H, 5J 였다. 3A와 3B는 ‘12 cm 5 mm – 8 cm’처럼 단위가 다른 두 수 사이의 뺄셈을 어려워하여 늘어난 용수철의 길이를 계산하는 과정에서 오류를 보였다. 4F, 4G, 5I, 5K, 5L은 각 구간에서 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이를 계산했으나 그 계산 값들이 같지 않자 실험에서 얻은 측정값을 수정하여 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이를 일정하게 맞추었다.

2) 추 한 개 당 늘어난 용수철 길이의 규칙 찾기

용수철에 추를 걸었을 때 용수철이 늘어나는지, 추를 여러 개 걸었을 때 용수철이 일정하게 늘어나는지를 확인하고 예상한 대로 나타나지 않으면 실험을 다시 하는지 관찰하였다. 이 과정에서 3A, 3B, 3C, 3D는 모두 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이에 규칙이 있는지 확인하지 않았고, 늘어난 용수철 길이에서 규칙이 있음을 인지하지 못하였다.

추 한 개를 걸 때마다 늘어난 용수철의 길이를 측정하는 이 실험은 4학년 1학기에 학습했기 때문에 연구를 수행할 당시 4학년과 5학년 학생들이 이 실험을 결과를 미리 알고 있는 셈이었다. 그런데 어떤 학생들은 영점조절용 추를 걸지 않았고, 영점조절용 추를 정확하게 걸었어도 용수철에 매달린 추가 위-아래 또는 좌-우로 흔들렸기 때문에 학생들이 측정한 값에는 측정 오차가 컸다. 그 결과 4학년과 5학년의 어떤 학생도 자신의 측정값으로는 각 구간에서 계산한 늘어난 용수철의 길이가 일정하지 않았다. 그래서 학생들은 실험 결과에 대해 고민하기 시작했다. 4학년과 5학년 학생들은 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이가 일정하게 늘어나기를 기대했는데 그렇지 않은 갈등 상황을 겪게 되자 보이는 행동이 특징적이었는데, 4F, 4G, 5J, 5K, 5L은 추를 뺐다가 다시 걸어 보거나 실험을 처음부터 다시 해보기도 하였다. 이때 교과서를 다시 읽으면서 잘못된 부분을 교정하는 예도 있었고, 실험은 다시 처음부터 하지만 실험 방법을 바꾸지 않고 똑같이 실험하여 똑같은 결과가 반복되는 예도 있었다.

추 1개를 걸었을 때 늘어난 길이를 계산하는데 추 2개를 걸었을 때 ‘어? 1.5가 된다고?’ 하면서 추를 다시 뺐다가 다시 걸어보는 것을 반복함.

(4F에 대한 관찰 노트 중 일부)

스스로 네 번이나 실험을 다시 함. 네 번째 시도에서야 책을 다시 천천히 읽어보면서 기준 추를 안 걸고 실험하거나 종이 자를 잘못 고정한 점 등 자신이 잘못한 부분을 파악하여 교정함.

(4F에 대한 관찰 노트 중 일부)

늘어난 용수철의 길이를 측정해서 쓴 후 ‘일정하게 안 늘어나는 것 같은데?’ 하면서 고민함. 다시 실험을 해봄. 다시 실험하면서도 방법을 바꾸지는 않음. 자신이 했던 결과와 똑같자 ‘왜 이렇게 일정하게 안 늘어나지?’ 라고 중얼거림.

(4G에 대한 관찰 노트 중 일부)

이와 같은 갈등 상황이 발생한 이유에 대해서 학생 대부분은 ‘본인이 잘 못 본 것이다’, ‘눈금 값을 정확하게 읽지 못했기 때문이다’ 라고 응답하였다. 5J만 추의 무게를 더 무거운 것으로 바꿔 실험하면 일정하게 늘어날 것이라고 응답하였다.

연구자:

얘는 왜 달라졌을까 혹시?

4F:

제가 잘못 본 걸 수도 있고 아니면⋯⋯.그냥 제가 잘못 본 거 같아요.

연구자:

왜 정확하게 딱 똑같이 안 나올까?

4G:

왜냐하면 연필이 좀 이상해서? 제가 용수철 끝부분이랑 종이자 눈금까지를 연필을 대고 봤는데, 연필이 약간 기울어져서 그렇게 될 수 있을 것 같아요.

(4F, 4G와의 면담 중)
연구자:

왜 이렇게 되었을까?

5J:

아마도 무게가 좀 적어서 그런 것 같아요.

연구자:

어떤 무게 추의 무게가 작아서?

5J:

네. 추의 무게가 크면 일정하게 나올 수 있을 것 같아요.

연구자:

왜 추의 무게가 왜 중요하지?

5J:

왜냐하면 추의 무게가 가벼우면 용수철이 별로 안 늘어나고. 늘어난다고 해도 차이가 미미해서요. 여기는 20 g 추로 되어 있는데 이거보다 더 좀 더 큰 무게로 30g 정도로 실험하는 게 더 좋을 것 같아요.

(5J와의 면담 중)

하지만 4H는 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이가 일정하지 않음을 이상하게 여기지만 측정값을 그대로 수용하여 다시 실험하지 않았고, 4E는 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이가 일정하지 않자 실험이 실패했다고 생각하고 결과값을 조작해서 적었다.

추 한 개당 늘어난 길이가 일정하지 않아 계속 혼자 이상하다고 이야기함. ‘일정하게 늘어나야 하는데 일정하지 않다. 뭐가 문제인거지?’라고 하며 그 이유를 찾으려고 하나 특별히 조치하지는 않음.

(4H에 대한 관찰노트 중 일부)

추 한 개당 늘어난 용수철의 길이가 일정하지 않았는데 2.5 cm를 더해 값을 수정함.

(4E에 대한 관찰노트 중 일부)

교과서에 제시된 탐구활동 설명 문장에서 ‘추 한 개당 늘어난 용수철의 길이를 알아보도록’ 지시함으로써 규칙성이 있을 것으로 암시하고 있으나 이 의미를 이해하지 못한 3학년 학생들은 실험 데이터의 규칙성을 살피지 않았고, 4학년과 5학년 학생들은 실제 실험에서 규칙성을 찾지 못할 때 갈등을 일으키는 것으로 관찰되었다.

3) 추의 무게와 늘어난 용수철 길이 사이의 관계 도출하기

교과서에서는 추의 무게와 늘어난 용수철의 길이 사이의 관계에 대해 ‘용수철에 걸어 놓은 추의 무게가 늘어나면 용수철은 일정하게 늘어난다.’라고 서술하고 있다. 하지만 학생들이 실제로 실험하였을 때는 용수철이 추의 무게에 따라 일정하게 늘어나지 않았다. 따라서 실험에서 측정한 값에 근거해 결론을 도출해야 한다면 ‘추의 무게가 늘어날수록 용수철이 더 많이 늘어난다’ 또는 ‘추의 무게가 늘어나더라도 용수철이 일정하게 늘어나지 않을 수 있다’라고 말해야 한다. 결국 결론 도출 단계에서 실험 결과를 바탕으로 추의 무게와 늘어난 용수철의 길이 사이의 관계를 정확하고 정직하게 말한 학생은 4G, 4H, 5J 뿐이었다. 4G는 계산된 값이 2.3, 2.4, 2.6, 2.2, 2.7이었는데 이에 대해 일정하게 늘어나야 하는데 일정하지 않은 결과가 나왔다고 대답하였다. 4H도 계산 값이 서로 같지 않게 나타났는데 ‘일정하게 늘어나야 하는데 비슷하게 늘어났다’고 대답하였다. 5J는 추 한 개당 늘어난 길이에 대한 계산이 2, 2.5, 2.5, 2.5, 2.5로 나왔고 일정하게 늘어남을 알고 있지만 관찰 결과에 기초하여 ‘추의 무게가 일정하게 늘어날수록 용수철의 길이는 늘어난다.’고 대답하였다.

연구자:

일정하게를 빼고 그냥 늘어난다고 했네. 특별한 이유가 있어?

5J:

2 cm이고 2.5 cm 이잖아요. 실험한 결과를 바탕으로 했으니까 그냥 늘어난다고 해야죠.

연구자:

일정하게 늘어난다고 알고 있지만 실험 결과를 바탕으로 해야 하니 일정하게 부분을 빼고 그냥 늘어난다고 해야 한다?

5J:

네.

3학년 학생들은 실험 데이터를 바탕으로 결론 도출을 하지 못했다. 3D는 일정하게 늘어난다는 사실은 계속 이야기하지만 교과서에 제시된 문장을 가리키며 이야기할 뿐 실험 결과에 근거해서 말하는 것은 아니었다. 3B는 추 한 개당 늘어난 용수철의 길이가 3 cm, 3 cm, 2 cm, 3 cm, 2 cm인데도 ‘용수철에 걸어 놓은 추의 무게가 일정하게 늘어나면 용수철의 길이도 2씩 늘어난다.’고 답하는 등 결과 해석 자체를 하지 못했다. 4E, 4F, 5K, 5L은 실험 결과와 달리 이미 학습한 내용대로 ‘추의 무게가 늘어남에 따라 용수철이 일정하게 늘어난다’고 해석하였다.

용수철에 걸어 놓은 추의 무게가 일정하게 늘어날수록 용수철의 길이가 일정하게 늘어난다고 언급하나 자신이 기록한 실험 데이터에서 일정하게 늘어나는지 확인하지 않음으로 증거에 기반한 결론을 얻지 않음.

(3D에 대한 관찰노트 중 일부)

실험 결과와 상관없이 활동지 2번에 ‘일정하게 늘어난다’라고 기록함.

(5L에 대한 관찰노트 중 일부)

이 연구에서는 2015 개정 교육과정 4학년 1학기 ‘물체의 무게’ 단원의 ‘추의 무게에 따른 용수철이 늘어난 길이 측정’ 실험에 참여한 초등학생의 실험 수행과정의 특징을 분석하였다. 연구 결과, 3–5학년 학생 12명 중 2명의 학생만이 실험 장치를 정확히 만들어 정밀한 측정값을 얻고 연구 결과를 바탕으로 추의 무게와 늘어난 용수철의 길이 관계를 말했다. 다른 학생들은 실험 장치 제작, 자료 수집 과정, 실험 결과 분석 및 결론 도출 과정에서 다양한 행동 특성과 어려움을 나타내었다. 실험 수행과정에서 나타난 학생들의 행동 특성과 어려움을 정리하면 다음과 같다.

첫째, 참여 학생들은 교과서를 보면서 실험을 수행했지만, 대부분의 학생들이 실험 장치를 정확하게 꾸미고 측정을 정교하게 수행하지 못했다. 용수철을 스탠드 링에 건 다음 용수철이 좌우로 흔들리지 않도록 셀로판테이프로 고정해야 하는 것, 링을 스탠드 홀더에 끼운 뒤 나사로 고정해야 하는 것, 종이 자를 반듯하게 수직으로 펴서 스탠드 기둥에 붙여 사용해야 하는 것, 영점조절을 한 다음 측정을 시작하는 것, 용수철의 흔들림이 모두 멈춘 다음에 늘어난 용수철의 길이를 측정해야 하는 것, 용수철의 길이를 잴 때마다 측정 방법이 같아야 하는 것 등에 대한 이해가 충분하지 않았다. 단원을 학습하지 않은 3학년 학생들은 교과서 서술대로 실험을 따라 했지만 실험 장치를 정확하게 꾸미지 못했고 정밀하게 측정해야 함을 생각하지 못했다. 4, 5학년 학생들은 실험 수행이 좀 더 능숙했지만 과반의 학생이 용수철을 흔들리지 않게 하거나 영점조절 등 실험 장치를 안정하게 만들지 못했고 그로 인해 정밀한 측정을 하지 못했다.

둘째, 참여 학생들은 측정한 값을 표에 기록하고, 표에 나타난 실험 데이터에서 규칙성을 찾아 결론을 이끌어내는데도 어려움이 있었다. 3학년 학생 중 3명은 늘어난 용수철의 길이를 자연수로 대략 기록하였으며, 1명은 표에 측정값을 기록하지 못했다. 3학년 학생들은 모두 늘어난 용수철의 길이에서 규칙이 있음을 인지하지 못했는데, 그 중 2명은 자신의 실험 결과와는 달리 교과서 본문을 보고 ‘용수철의 길이가 일정하게 늘어난다.’고 대답하였다. 4학년과 5학년 학생들도 실험 장치를 불안정하게 제작하거나 늘어난 용수철의 길이를 대략으로 측정하여 추의 무게에 따라 늘어난 용수철의 길이가 일정하지 않았다. 그들은 표를 통해 얻으려고 했던 규칙을 찾지 못하자 ‘예상과는 다르다.’는 말을 하며 실험 과정을 검토하거나 재실험을 했고 그마저 해결이 안 되자 고민에 빠졌다. 일부 학생은 자신이 찾은 측정 결과에 따라 ‘추의 무게에 따라 용수철의 길이는 늘어난다.’고 실험 증거를 바탕으로 규칙성이 드러나지 않는 결론을 내렸고, 다른 일부 학생은 측정된 데이터를 수정하여 ‘추의 무게에 따라 용수철의 길이는 일정하게 늘어난다.’고 결론을 내리거나 측정값을 무시하고 수업에서 배운 대로 결론을 내리기도 하였다. 이는 학생들은 정량적 데이터 해석 과정에서도 선개념의 영향을 받는다는 선행연구와 맥락이 같다[24].

‘추의 무게와 늘어난 용수철의 길이 측정’ 실험에서 참여 학생들이 어려워했던 부분은 안정한 실험 장치의 제작, 용수철 길이 측정의 영점조절 문제, 용수철 길이의 정밀한 측정, 실험 결과와 개념의 차이에 대한 해석이었다. 이에 대해 과학 수업, 교육과정 및 교과서 개발에 주는 시사점을 논의하면 다음과 같다.

첫째, 교과서에 용수철 실험 장치 제작 방법에 관하여 좀 더 자세한 설명이 필요하다. 교과서에는 실험 장치 제작 방법에 관하여 ‘용수철을 스탠드에 걸어 고정합니다.’, ‘용수철 끝의 고리에 20 g중 추 한 개를 걸어 놓습니다.’, ‘종이 자의 눈금 0을 용수철 끝에 맞추고, 셀로판테이프로 스탠드에 고정합니다.’ 등의 문장으로 서술하고 제작의 목표점을 그림으로 나타내고 있다. 이는 실험 과정이 요리책식 실험이 되지 않도록 조작 방법과 목표 상태만 기술하는 방식을 따른 것이다. 또 한정된 교과서 지면을 효율적으로 사용하는 방법이기도 하다. 그러나 내용을 처음 접하는 3학년 학생들뿐만 아니라 이미 학습한 4, 5학년 학생들도 실험 장치를 안정하게 만들지 못했다. 정교하고 정밀하게 제작된 자, 시계, 온도계 등은 측정의 불확실도가 작지만, 대략으로 조잡하게 만든 도구는 측정의 불확실도가 커질 수 있으므로[25] 실험 장치 제작 방법에 대한 서술에서 개선이 요구된다. 교과서 읽기 자료나 부록에 스탠드에 물체를 고정하여 사용하는 방법이나 영점조절하는 방법에 대한 팁을 서술하거나 교사용 지도서에 실험에서의 유의점으로 서술하여 교사가 수업 중에 강조하여 언급하게 하는 방안이 필요하다.

둘째, 정확하고 정밀한 실험 수행을 위하여 실험의 본성이나 과학적 태도에 대한 지도가 필요하다. 실험에서 학생들은 교과서를 천천히 읽으면서 진지하게 실험에 임했지만 실험 장치를 정확하고 안정하게 만들어야 함을 생각하지 못했고, 추의 무게에 따라 늘어난 용수철의 길이를 정밀하고 정직하게 기록해야 한다는 인식이 부족했다. 또한 자신이 직접 관찰, 측정, 자료 분석한 증거를 바탕으로 결론을 내려야 함을 생각하지 못했다. 이는 실험의 본성에 대한 이해와 증거 존중, 객관성, 정직성 등의 과학적 태도에 대한 인식 부족 때문으로 판단된다. 실험을 하기 전이나 실험 수행 중에 학생들이 실험의 필요성, 실험의 방법이나 실험 태도 등에 대해 적절하게 인식하였다면 좀 더 정확한 실험이 이루어지고 실험 증거를 바탕으로 자발적으로 적절한 결론을 도출할 수 있을 것이다. 이를 위하여 이 실험과 관련된 성취기준을 ‘용수철에 매단 물체의 무게와 용수철의 늘어난 길이의 관계를 조사’하는 것에서 ‘정확하고 정밀한 실험을 수행하여 데이터를 얻고 데이터를 분석하여 물체의 무게와 용수철의 늘어난 길이의 관계를 알아보기’로 수정함으로써 증거 존중, 객관성, 정직성 등의 과학적 태도와 실험 증거를 기초로 과학 개념을 획득하는 실험의 본성을 강조할 필요가 있으며, 이에 따라 차시 내용을 학생 수준에 맞게 조정할 필요가 있다.

셋째, 용수철 길이 측정에서 영점조절하는 방식이 개선될 필요가 있다. ‘물체의 무게’ 단원에서 초등학생들이 겪는 학습 어려움에 관한 선행연구[9]에서 과압축된 용수철을 사용할 때 추의 무게에 따라 용수철의 길이가 일정하게 늘어나지 않는 점이 지적되었고, 이에 2015 개정 국정 과학 교과서에서는 추 한 개를 건 용수철의 길이를 0으로 두고 추 한 개씩 걸 때마다 늘어난 용수철의 길이를 측정하게 하여 이 문제를 해소하려 노력하였다. 이 방식은 이전 교과서에 제시된 과압축된 용수철에 추 2개를 걸 때부터 측정하는 방식과 내용이 비슷하지만 ‘추 한 개를 건 용수철의 길이를 0이라 정하는’ 과정을 포함한 것이다. 그러나 이 연구에 참여한 학생들은 용수철에 추 한 개를 먼저 거는 과정을 빠뜨리거나 종이 자의 눈금 0을 용수철의 다른 부분에 맞춤으로써 영점을 조절하지 못했다. 동일한 모양의 여러 개 추를 영점조절용과 측정용으로 사용하는 방법은 과학적으로는 타당하지만, 학생들에게 그 과정을 이해시켜 행동을 취하게 하는데는 적절한 방법이 아님을 의미한다. 이 문제는 측정용 추보다 두 세배 무거운 추나 고리로 영점조절을 하고 측정용 추를 따로 사용하는 것이 과압축된 용수철의 길이를 영점 조절하고 학생들을 이해시키는데 쉬울 것으로 판단된다. 이와 관련하여 2015 개정 검정 과학 교과서 1종에서 추 대신 무거운 고리를 사용하는 영점조절 방식이 소개되어 있지만[26], 다른 검정교과서에는 동일 무게의 추 여러 개로 영점조절과 측정에 모두 사용하게 하고 있어, 현장 학교의 과학 실험 수업에서 학생들의 학습 어려움이 예상된다.

넷째, ‘물체의 무게와 늘어난 용수철의 길이 관계 측정’ 차시는 추의 무게에 따라 늘어난 용수철의 길이 측정과 두 변인의 관계 추리, 그리고 용수철의 성질을 개념으로 학습하는 내용으로 구성된다. 이 내용을 학습하지 않은 3학년 학생들 중 일부는 정확하고 정밀한 측정을 하지 못했고 실험 결과를 분석할 때도 늘어난 용수철의 길이가 일정하지 않았음에도 불구하고 교과서 본문을 보면서 ‘용수철의 길이가 일정하게 늘어난다.’고 대답했다. 또 이미 관련 개념을 학습을 한 4, 5학년 학생들은 학습한 내용을 바탕으로 자신의 측정값을 왜곡하거나 무시하는 행동을 보였다. 해당 차시의 교과서 탐구활동이 실험, 결과 분석, 결론 도출을 유도하는 개방적 탐구 방식으로 제시되고, 교과서 본문에 용수철의 성질에 관한 개념이 직접적으로 서술되어 있지 않는다면 학생들은 자신의 예상과 측정값이 다른 것을 의아해하며 실험 장치를 수정하거나 반복 실험을 통해 결과를 재분석할 수 있을 것이다. 따라서 잘 안내된 실험보다는 실제 과학자의 탐구와 유사한 상황에서 탐구 활동이 이루어지게 하는 차시 구성 방안도 고려할 필요가 있다.

이와 같은 시사점에도 불구하고 무작위로 선정되지 않은 3–5학년 학생 12명을 대상으로 연구가 이루어졌기 때문에 연구 결과와 시사점 논의에 한계를 지닌다.

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