과학에서 실험은 가설을 시험하고, 현상을 탐색하기 위한 활동으로 과학의 발전에 중요한 역할을 해왔다[1]. 뉴턴은 프리즘 실험을 통해 순수한 것처럼 보이는 태양 빛이 사실은 여러 색이 혼합된 것이라는 사실을 밝혔으며[2], 상대성 이론의 탄생에 마이켈슨 몰리 실험이 중요한 역할을 했다는 것은 부인할 수 없는 사실이다[3, 4]. 단일 전자의 이중 슬릿 실험은 양자역학의 미스테리를 가장 압축적으로 보여주는 실험으로, 물리학자들이 꼽는 가장 아름다운 실험에 선정되기도 했다[5]. 특히 결정적 실험은 실험 결과가 경쟁하는 여러 이론들 중 어떤 이론을 지지하는지, 혹은 그렇지 않은지 판정함으로써 과학 이론의 발전에 큰 역할을 해왔다[6].

과학의 발전에 실험이 기여한 역할을 고려해 볼 때 과학교육에서도 실험이 일정한 역할을 해야한다고 생각할 수 있다. 이에 따라 다수의 과학교육자들은 실험이 과학 뿐만 아니라 과학교육에서도 중요한 역할을 해야 한다고 생각하고 있으며, 실험을 과학교육에 긍정적으로 활용하기 위한 많은 방안들을 탐색해 왔다[7-9]. 실험을 통해 학생들은 과학을 직접적으로 체험함으로써 과학적 개념과 원리들을 더 잘 이해하고 기억할 수 있[10, 11]. 뿐만 아니라 적절한 실험 활동을 통해 과학에 대한 학생들의 흥미와 호기심을 증진시킬 수도 있다[12, 13]. 무엇보다 실험을 통해 학생들은 자료 수집, 데이터 분석 및 해석, 결론 도출, 비판적 사고 등 고등 탐구 능력을 기를 수 있다[14].

하지만 과학교육에서의 실험의 활용이 항상 긍정적인 결과를 주지만은 않는다[15]. 과학교육에서 실험을 도입해도 과학 내용의 이해나 학생들의 학습에 큰 도움이 되지 않으며[16], 교사는 종종 실험을 통해 학생들이 자기 주도적으로 탐구하는 기회를 주기 보다는 교사가 원하는 결론을 주입하는데 그치게 된다[17]. 이에 따라 실험 활동이 학생들이 과학의 본성에 대해 왜곡된 이해를 갖게 만든다는 연구 결과도 있다[18].

이처럼 실험 활동이 학생들의 과학 학습에 부정적인 결과를 나타내는 데는 여러 가지 원인이 있을 수 있다. 그중 많은 연구들이 학교 현장에서 실험 활동을 다루는 방식의 폐쇄성의 문제점을 지적하고 있다[19, 20]. 우리나라의 경우에도 많은 교과서 실험이 사실과 개념학습을 위한 예시적 확인 실험에 그치고 있다고 보고되었고[21], 최신 교육과정(2015 개정 교육과정)에서의 교과서에서도 탐구의 설계를 일방적으로 제시하고 있다[22]. 또한 학교 현장에서 이루어지는 많은 실험수업의 형태가 요리책 스타일의 확인 실험수업에 그치고 있다[23].

하지만 학교 현장의 실험수업에 개방성을 부여하면 긍정적인 결과를 보인다는 다수의 연구 결과물들이 있다[24-26]. 학생들은 실험 방법을 모두 제시하는 실험수업보다 본인이 직접 설계하는 실험수업에서 더 능동적인 태도를 보이고[27], 실험 설계의 적극성, 실험 과정에서의 고차원의 토론, 양질의 실험 보고서 작성 등 여러 면에서 우수한 모습을 보인다[25, 26]. 무엇보다 학생들은 요리책 스타일의 실험보다 개방적이고 비구조화된 실험수업 유형을 선호한다[28]. 이처럼 실험수업의 개방성을 높이면 학생들의 학습에 효과적이기 때문에, 예비교사교육에도 개방형 실험 방식이 종종 활용되었다[29-31]. 예를 들어 탐구 기반 학습은 예비교사들의 과학탐구능력을 향상시킬 뿐만 아니라[30], 창의성을 기르는데도 효과적인 것으로 보고되었다[29]. 또한 개방형 실험이 물리교사들의 물리 내용 지식 학습에도 효과가 있는 것으로 나타났다[31]. 하지만 개방형 실험과 실험수업의 연계를 통해 개방형 실험이 예비교사들의 실험수업에 대한 인식에 어떠한 영향을 주는지 탐색한 연구는 찾아보기 힘들다.

한편, 교사들은 학생 주도의 열린 과학 활동에 대한 신념이 있지만 실험실에서 그들의 실천은 종종 실패한다[32]. 교사들은 어떻게 하면 실험수업을 통해 학생들이 스스로 개념을 형성할 수 있도록 도울 수 있는지 그 구체적인 방법을 알지 못한다[33]. 뿐만 아니라 실험수업에서 교사들은 환경 영역(실험 기구 및 재료 준비, 안전) 및 교과서에 제시된 실험 자체의 문제, 학생들의 조작 능력 부족 등 다양한 어려움을 경험한다[34, 35]. 무엇보다 실험수업의 이러한 어려움은 예비교사의 경우에 더욱 가중될 것으로 예상할 수 있다.

실험수업의 다양한 어려움을 극복하고, 의미 있는 실험수업을 진행하기 위해서는 실험수업을 진행하려는 교사의 의지가 중요하다. 그리고 실험수업에 대한 교사의 의지는 실험수업의 가치를 인식하는 데서부터 출발한다고 볼 수 있다. 본 연구는 예비교사들의 개방형 탐구 및 모의 실험수업 경험이 그들의 개방형 탐구 및 실험수업에 대한 인식에 어떤 영향을 미치는지 탐색해 보기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위해 본 연구에서는 예비교사들이 조별로 본인이 탐구하고자 하는 주제를 정한 후, 해당 주제에 대해 자유롭게 탐구하도록 유도하였다. 또한 개방형 탐구 경험이 실험수업으로 이어질 수 있도록 예비교사들이 모의실험수업을 실습하도록 계획하였다. 본 연구의 구체적인 연구 문제는 다음과 같다.

첫째, 개방형 탐구 경험을 통해 예비교사들은 개방형 탐구의 가치를 인식할 수 있는가?

둘째, 개방형 탐구 경험은 예비교사들의 실험수업에 대한 인식에 어떠한 영향을 미치는가?

셋째, 모의 실험수업 경험은 예비교사들의 실험수업에 대한 인식에 어떠한 영향을 미치는가?

1. 연구 참여자 및 연구 맥락

본 연구의 연구 참여자는 사범대학교 물리교육과 소속 학생 15명으로 남학생이 11명, 여학생이 4명이었다. 참여자들은 모두 3학년 2학기에 재학중이었으며, “중등물리실험지도”를 수강하는 학생들이었다. 중등물리실험지도는 참여자들의 중등학교에서의 물리실험 지도 역량 함양을 위해 개설된 과목으로 본 연구의 연구진 중 1인이 직접 수업을 진행했다. 참여자들은 정식으로 수업을 진행해 본 경험이 없었으며, 개방형 탐구 경험도 없었다. 다만 대부분의 학생들이 교육 봉사를 경험했으며, 일부는 학원에서 강의 경험을 한 학생들도 있었다.

Figure 1은 본 연구에서 진행한 중등물리실험 지도 강의의 진행 과정을 나타낸 것이다. 중등물리실험지도는 3학점으로 구성된 강의로 한 주에 3시간 연속 강의가 진행되었다. 1주차에는 오리엔테이션 및 강의에 대한 소개가 이루어졌고, 2–3주차에는 연구자에 의한 강의가 진행되었다. 연구 참여자들이 대부분 수업 진행 경험이 없었기 때문에 2–3주차에는 물리과 교육과정 및 교과서 분석, 수업 모형과 수업 디자인, 수업 지도안 작성법, 이전 수강생들이 작성한 수업 지도안 내용에 대한 분석 실습 등을 통해 수강생들이 수업 준비를 위한 기본 능력을 갖출 수 있도록 했다. 이와 더불어 예비교사들이 본 연구의 목표인 개방형 실험에 대해 고민할 기회를 주기 위해 탐구 수업 및 실험수업의 필요성, 교과서 실험의 개방도 분석, 뉴턴의 2법칙 실험을 포함한 교과서 속 물리 실험에 대한 비판적 분석, 스마트폰을 활용한 물리 실험 실습 활동도 동시에 이루어졌다.

Figure 1. Process of secondary physics experiment teaching class.

중등물리실험지도 수업에서는 모든 수강생들이 한 번씩 중등 수준의 모의 물리 실험수업을 진행하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 교수자는 수강생들에게 중등 수준의 실험을 준비하고, 준비한 수업을 실연할 것을 요청하였으며, 모의 실험수업 전에 수업 지도안을 제출하도록 했다. 모의 실험수업의 수준은 중학교, 혹은 고등학교 중 본인의 기호에 맞게 자유롭게 선택하도록 했으며, 수업을 준비하는 수강생들은 수업에 참여하는 수강생들에게 교과서의 물리 실험 내용을 체험시킨다는 느낌으로 준비할 것을 지시했다. 또한 수업에 참여하는 수강생들은 본인이 마치 중학생, 혹은 고등학생이 된 것처럼 수업에 참여하도록 했다.

본 연구의 목적 중 하나는 개방형 탐구가 예비교사들의 인식에 미치는 영향을 알아보기 위한 것이었기 때문에 예비교사들에게 조별로 “개방형 탐구 실험”이라는 이름의 활동을 수행하도록 했다. 이를 위해 수강생 15명을 3인 1조의 5개조로 편성했으며, 조편성은 무작위로 했다. 개방형 탐구 실험의 내용은 조별로 원하는 실험 주제를 자유롭게 선정해서 탐구하도록 하되, 조별로 탐구한 내용을 발표하도록 했다. 예비교사들의 개방형 탐구 실험 진행을 돕기 위해 특정한 주제의 물리 실험을 스마트폰(센서 및 앱)을 활용하여 심층적으로 탐구한 내용에 대한 120여편의 The Physics Teacher Journal의 논문들을 참고 자료로 제공했다. 또한 예비 교사들에게 개방형 탐구 실험의 주제를 찾기 힘들다면 교과서 속 실험 내용을 심화해서 탐구한 내용을 발표해도 좋다고 안내하였다. 특히 중등 수준의 교과서 실험이지만 실제로 탐구하다보면 심층적으로 알아보고 싶은 것이 생길 것이라 동기를 유발하였다. 대신 교과서 속 실험 내용을 개방형 탐구 실험 주제로 정하는 경우 여러 교과서의 실험의 차이점, 장단점 등을 비교 분석하여 그 내용도 발표에 포함시키도록 했다. 정해진 발표 일정이 있었기 때문에 개방형 탐구를 위해 예비교사들은 조별로 짧게는 3주에서 길게는 8주까지 준비시간이 있었으며, 보통은 발표 한 주 전에 집중해서 개방형 탐구를 실시하고 발표를 준비하는 경향을 보였다.

3주차까지 연구자에 의한 강의가 진행된 후 4주차 이후의 중등물리실험지도 수업은 수강생들의 모의 실험수업 시연 및 조별 개방형 탐구 실험 발표로 진행되었다. 수강생들의 모의 실험수업이 진행된 후에는 바로 모의 실험수업에 대한 수강생들 및 강의자의 생각 나눔 시간을 가졌다. 본 연구에 참여한 수강생 15인은 모두 1회씩 모의 실험수업을 진행했다. 이와 더불어 개방형 탐구 실험 결과 발표도 조별로 진행되어 총 5번의 탐구 실험 결과 발표가 있었다. 중등물리실험 지도의 수업 시간이 연속 3시간이었기 때문에, 한 주의 수업은 수강생 한 명의 모의 실험수업 + 조별 개방형 탐구 실험 발표, 혹은 수강생 두 명의 모의 실험수업의 형태로 진행되었다.

2. 연구 자료 및 데이터 분석

본 연구에서는 개방형 탐구와 모의 실험수업 경험은 예비교사들의 개방형 탐구와 실험수업에 대한 생각에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 예비교사들의 학기말 보고서를 주요 연구 자료로 활용하였다. 예비교사들에게는 학기초 오리엔테이션 시간에 가급적 개방형 탐구가 본인의 실험수업 준비에 도움이 되도록 고려하게 하고, 향후 개방형 탐구가 실험수업 준비에 어떤 도움이 되었는지에 대한 에세이를 기말 과제로 제출할 예정이라는 것을 미리 공지해 두었다. 연구자는 예비교사들에게 “개방형 탐구가 일반적인 실험수업에 대한 생각 및 본인의 실험수업에 미친 영향”, “모의 실험수업이 일반적인 실험수업에 대한 생각 및 본인의 실험수업에 미친 영향”, “가장 인상적인 개방형 탐구 발표 및 모의 실험수업”, “실험수업 진행 과정에서 어려웠던 점 및 극복 방안” 등의 주제를 포함하여 학기말 보고서를 작성하도록 했다.

주요 연구 자료 외에도 본 연구에서는 수업 분석 기록지, 면담 자료 등을 보조 연구 자료로 활용하였다. 수업 분석 기록지는 연구자 및 수업을 진행하는 예비교사 외의 동료 예비교사들에 의해 작성되었으며, 수업 분석 기록지의 작성을 위해 모의 실험수업 시간 및 모의 실험수업 시간 직후 본인이 경험한 모의 실험수업의 장단점을 간단하게 기록하게 하였다. 면담은 중등물리실험 지도 수업이 종료된 후 학기말에 진행되었다. 수강생 15명 중 지도교수 상담 대상자였던 10명을 대상으로 면담이 진행되었으며, 본 연구와 관련한 면담은 지도교수 상담 중 자연스럽게 진행되었다. 특히, 개방형 탐구에 대한 소감 및 개방형 탐구 활동이 실험수업에 대한 본인의 생각 변화에 영향을 주었는지를 주제로 반 구조화된 면담이 진행되었다. 이를 통해 예비교사들이 학기말 보고서에 작성한 내용의 진위확인과 더불어 학기말 보고서에 실험수업에 대한 생각의 변화가 잘 나타나지 않은 경우 추가 질문을 통해 예비교사들의 생각을 조사했다. 이처럼 본 연구에서는 주요 연구 자료 외에도 추가 보조 자료의 활용을 통해 자료의 삼각화로 참여자 의견 분석의 타당성을 확보하고자 하였다[36].

데이터 분석은 일반적인 질적 연구 방법론을 충실히 따르려고 노력했다[37, 38]. 우선 데이터 분석을 위해 예비교사들에게 학기말 보고서 내용에 “개방형 탐구가 일반적인 실험수업에 대한 생각에 미친 영향”, “개방형 탐구가 본인의 실험수업에 대한 생각에 미친 영향”, “모의 실험수업이 일반적인 실험수업에 대한 생각에 미친 영향”, “모의 실험수업이 본인의 실험수업에 미친 영향”, “가장 인상적인 개방형 탐구 발표”, “가장 인상적인 모의 실험수업”, “실험수업 진행 과정에서 어려웠던 점”, “실험수업의 어려움을 극복할 수 있는 방안”의 8가지 내용을 포함하도록 했다. 이후 학생들이 작성한 내용 분석 과정에서 귀납적 범주화 과정을 통해 범주를 생성하고, 원자료가 말하고자 하는 바가 무엇인지 살펴보았다[39]. 이를 위해 본 연구의 연구진 중 1인이 카테고리별로 나누어진 예비교사들의 학기말 보고서 내용을 자세히 읽어보며 해당 내용에 담긴 중심 생각이 무엇인지 간단히 코딩하였다. 이후 카테고리별로 코딩된 내용들의 코딩 목록별 빈도를 산출하고, 그중 빈도가 높은 것들을 위주로 범주화 과정을 수행함으로써 카테고리별 예비교사들의 중심 생각을 알아보고자 하였다. 최종적으로 공동 연구자 중 다른 1인이 분석된 내용과 원자료를 대조하며 확인하여, 분석의 타당도를 확보하고자 하였다.

1. 개방형 탐구 경험이 예비물리교사의 개방형 탐구 및 실험수업에 대한 인식에 미친 영향

본 연구에서 예비교사들은 개방형 탐구를 위해 조별로 자유롭게 의논하여 탐구 주제를 정하고, 조별로 정해진 탐구 주제에 대한 심화 탐구를 진행했다. Figure 2는 예비교사들이 조별로 수행한 탐구 내용을 간략히 나타낸 것이다.

Figure 2. (Color online) Pre-service physics teachers' practice of open inquiry. (a) Electromagnetic shielding in saltwater. (b) Refraction of light in a medium of varying concentration. (c) The frictional force on the slope. (d) Conservation of momentum in a collision between two carts. (e) Reducing the mechanical energy of a spring pendulum.

연구자가 예비교사들에게 탐구 주제나 탐구 방법을 제한하지는 않았지만 중등물리실험 지도 강의에서 개방형 탐구와 동시에 모의 실험수업을 진행해야 했기 때문에 많은 조들이 교과서 물리 실험을 탐구 주제 대상으로 선정하는 특징을 보여 주었다. Figure 2의 첫 번째 실험인 소금물에서의 전자기파 차폐 실험을 제외하고, 나머지 실험들, 즉 농도가 변하는 매질에서의 빛의 굴절, 빗면에서의 마찰력 탐구, 두 수레의 충돌 상황에서의 운동량 보존, 용수철 진자의 역학적 에너지 감소는 모두 교과서에 제시된 실험이었다. 다만 예비교사들은 교과서에 제시된 실험을 탐구한 경우에도 교과서에 제시된 방법으로만 실험하는 것으로 그치지 않고 자신들만의 창의적인 방법으로 실험을 수행하는 모습을 보였다. 특히 두 수레의 충돌 상황에서의 운동량 보존, 용수철 진자의 역학적 에너지 감소의 세 실험은 교과서에 제시된 실험이었음에도 교과서의 실험 방법에 그치지 않고 스마트폰의 가속도 센서나 라이다(LiDAR) 센서를 활용하여 실험 방법을 새롭게 고안하여 관련 주제를 탐구하는 모습을 보여주었다. 이외에 대부분의 조에서 교과서에서 제시되지 않은 변인을 추가하여 실험 주제에 대해 깊이 있게 탐색하는 모습을 보였다. 예를 들어 용수철 진자의 역학적 에너지 감소 실험에서 예비교사들은 용수철 진자 뒤에 놓인 나무판에 용수철 진자를 기울여가며 저감쇠(Underdamping)하는 모습을 가장 잘 관찰할 수 있는 나무판의 각도는 몇 도인지 탐구하는 모습을 보여주었다.

이와 같은 개방형 탐구 경험은 크게 두 가지 측면에서 예비교사들에게 영향을 주었다. 하나는 개방형 탐구를 통해 예비교사들이 개방형 탐구에 대한 긍정적인 생각을 가질 수 있게 되었다는 것이고, 다른 하나는 개방형 탐구를 통해 예비교사들이 교과서 실험에 대한 비판적인 시각을 갖출 수 있게 되었다는 것이다.

1) 개방형 탐구의 즐거움 인식

예비교사들은 물리교육과에 진학해서 물리학을 배우고, 물리 실험 과목들도 수강했지만 개방형 탐구 경험은 거의 없었다. 이에 따라 학습자로서의 물리학을 경험했을 뿐, 물리학을 통해 자연을 탐구한다는 것이 어떤 느낌인지 알지 못했다. 하지만 본 연구에서의 조별 개방형 탐구 경험을 통해 예비교사들은 과학자가 하는 일이 무엇인지 어렴풋이 알게 되었다고 보고했다.

실험이 성공하자, 지금껏 느낄 수 없었던 성취감과 뿌듯함이 느껴졌다. 그러면서 동시에 든 생각이 ‘이게 과학자가 하는 일이구나’였다. 나는 비록 작은 스케일의 실험을 진행하였지만, 가야할 길을 모르는 상태에서 일단 걷기 시작하는 것이 바로 과학자의 삶이구나 라는 것을 뼈저리게 느꼈다. 이번 조별 탐구에서 나는 지금까지 내 삶에서 최고의 노력과 시간을 기울였다. 그만큼 얻을 수 있는 교훈도 많았고, 앞으로 내가 걸어갈 길에 대한 경계도 조금씩 뚜렷해지는 것을 느낄 수 있었다.

(E의 진술 中)

E는 개방형 탐구를 통해 본인의 조가 계획하던 실험이 성공하자 엄청난 성취감을 느꼈다. 그리고 지금까지 경험했던 안내된 탐구와는 다르게 미지의 길을 탐구하는 것이 과학자가 하는 일이라는 깨달음을 얻었다. 물리교육학과의 학생들에게는 예비교사로서의 정체성과 더불어 물리학도로서의 정체성도 향후 물리교사로 성장해 나가는데 큰 영향을 미친다. E는 개방형 탐구를 진행하며 그 과정이 즐거웠기에, 본인의 삶에서 “최고의 노력과 시간을 기울”였다고 표현했다.

예비교사들의 개방형 탐구에 대한 이런 긍정적 경험은 자연스럽게 향후 본인이 교사가 되었을 때 학생들도 개방형 탐구를 경험하고 과학자처럼 자연을 탐구할 수 있는 경험을 할 수 있도록 도와야겠다는 생각으로 이끈다. 예비교사들 중 일부는 이를 단순한 다짐으로만 그치지 않고, 본인이 진행하는 모의실험수업에 녹여내고 있었다.

학생들로 하여금 직접 실험을 설계하도록 하며 학생들의 활동이 과학자들의 활동과 다르지 않음을 알리고 과학적 의사소통 능력이 삶을 더 사랑스럽게 만듦을 가르치고 싶다.

(A의 지도안 中)

본 연구에서 A는 중학교 3학년 자유낙하운동 수업을 준비하며 수업에 참여하는 학생들이 단순히 교사가 안내해 준 방식대로 실험을 진행하게 하지 않고 학생들 스스로 실험 방법을 찾아내어 가며 실험을 하도록 유도했다. 이를 위해 A는 질량이 다른 물체가 동시에 떨어지는 실험을 학생들이 스스로 설계하도록 했으며, 특히 학생들이 실험 설계를 어려워할 경우를 고려하여 학생들의 실험 설계가 잘 진행되지 않을 경우 2분에 한 번씩 힌트를 적은 쪽지를 나누어 주었다. A의 수업 설계에서 특징적이었던 부분은 힌트를 적은 쪽지를 나누어줄 때도 문제해결에 도움이 되는 쪽지와 문제해결과 관계없는 쪽지를 무작위로 나누어 주었다는 점이다. 수업 말미에 A는 과학자들도 자연에서 주어진 힌트들을 의심하며 그 의미를 찾으려 노력하고 있으며, 학생들이 오늘 진행한 활동이 과학자들의 활동과 크게 다르지 않다는 메시지를 전해 주었다. 이와 같은 A의 수업 진행은 다른 예비교사들에게도 공감을 불러일으켰다.

그만큼 자유 낙하 운동은 크게 흥미롭지 않은 주제가 될 수 있다고 생각했으나, A 학우는 이 주제를 ‘개방형 실험’과 ‘과학자의 자세’를 강조하며 학생들이 주체가 되어 자유 낙하 운동을 스스로 알아갈 수 있게 했습니다. 그 과정에서 되게 인상 깊었고 흥미로웠습니다.

(C의 진술 中)

이전에는 실험수업의 개방도, 수업의 질이 학생들의 과학에 대한 이해, 흥미도에 큰 영향을 미치지 않을 것이라고 생각했다. 하지만 ‘A 학우의 질량이 다른 물체의 자유낙하 운동’ 수업을 분석하면서 교사가 학생을 과학자로 대하고 직접 과학 활동을 할 수 있도록 수업을 설계하는 것이 학생이 더 적극적으로 수업에 참여할 수 있게끔 한다는 것을 깨달았다.

(J의 진술 中)

위의 진술에서 C는 실험의 개방도를 높이고 학생을 자연을 탐구하는 주체로서의 꼬마 과학자로 대하는 것이 매우 인상적이었다고 이야기하고 있다. 또한 J는 이전에는 실험수업의 개방도가 수업의 성공에 크게 중요하지 않은 것이라 생각했지만 A의 수업 진행을 통해 개방형 실험수업 및 학생의 과학자로서의 수업 참여 보장이 성공적인 과학 수업을 위해 중요한 요소라는 것을 깨닫게 되었다고 보고하고 있다. 이처럼 개방형 탐구에 대한 예비교사들의 긍정적인 경험은 개방형 탐구의 요소를 본인의 수업에서 구현해 보려는 실천으로 이어졌고, 이는 개방형 탐구를 적용한 실험수업에 대한 긍정적인 평가로 이어지고 있었다.

예비교사들의 개방형 탐구에 대한 긍정적인 평가는 무엇보다 실제 개방형 탐구 경험을 통해 개방형 탐구가 즐거운 일이라는 인식을 갖게 된 것에서 기인했다.

평소에 실험수업이란 교과서에 국한된 실험만을 생각하는 수업이었는데, 실험 방법 및 심화 탐구에서 교과서를 벗어난 자유로운 주제로 탐구실험을 진행하고 발표하는 과정이 너무나 즐거웠습니다. 중고등학교 때는 실험이 잘 안되고 즐거운 경험이 많지 않았는데, 직접 대학교에 와서 자유롭고 다방면적으로 실험을 하니 다른 발표도 그렇고 눈과 귀가 즐거운 수업이었습니다.

(G의 진술 中)

G는 위의 진술에서 중고등학교에서 기존에 해왔던 실험은 재미없는 것으로, 중등물리실험 지도 수업에서 개방형으로 탐구해 본 실험은 즐거운 것으로 규정하고 있다. 특히, 본인이 개방형 탐구를 즐겁게 경험했기 때문에 다른 예비교사들의 개방형 탐구 발표를 보는 것도 즐거운 경험이었다고 보고하고 있다. 이처럼 예비교사들은 본 연구의 개방형 탐구를 통해 자연을 탐구하는 것이 즐거운 일이 될 수 있다는 새로운 깨달음을 얻었다.

2) 교과서 실험을 활용한 실험수업에 대한 교사 역량의 필요성

본 연구에서는 수업을 위해 편성한 전체 5개조 중 4개의 조에서 교과서 실험을 주제로 개방형 탐구를 진행했다. 본 연구에서는 예비교사들에게 교과서를 주제로 탐구를 진행할 경우 그 내용을 심화해서 탐구해 보도록 했다. 따라서 예비교사들은 단순히 교과서에 제시된 대로 교과서 실험을 하는 것에 그치지 않고, 여러 종류의 교과서를 비교 분석해보고, 본인들만의 실험 방법들을 고안 및 새로운 변인들을 탐색해가며 개방형 탐구를 진행했다. 이를 통해 예비교사들은 교과서 실험에 대한 비판적 시각을 갖게 되었다.

실험수업이 힘들다고 말은 들었지만, 교과서에 나오는 실험들은 요리책식 실험이 많고 그대로 따라하기만 하면 된다고 생각했습니다. 조별 발표를 들으면서 교과서 속 실험도 의심이 필요하다는 것을 알았고, 각 교과서마다 차이도 알게 되어서 신기했습니다.

(L의 진술 中)

위 진술에서 L은 교과서 실험은 실험 방법을 구체적으로 안내해주기 때문에 교과서에 제시된대로 따라만 하면 실험 결과가 잘 나올 것이라 생각했다. 하지만 조별 탐구를 진행하고, 다른 조의 발표를 들으며 교과서 실험을 그대로 믿을 수는 없고, 교과서 실험에도 의심이 필요하다고 생각했다. 그리고 교과서에 제시된 실험 방식에 대한 의심은 자연스럽게 예비교사들로 하여금 본인이 가르치는 학생에게 더 적합한 실험 방법은 없는지 고민하게 했다.

이전에는 교과서에 수록된 실험은 집필진들의 충분한 검증으로 실험의 재현성이 확보되었다고 생각했다. 실제로 교과서를 분석, 교과서의 실험을 다양한 방식으로 재현하는 탐구 과정을 겪으며 교과서에 수록된 모든 실험이 재현도가 높은 것은 아님을 깨달았다. … 또한 같은 주제의 실험을 다루더라도 교과서 별로 내용을 전개하는 방식, 실험의 개방도, 자료를 변환하는 방식 등이 모두 달랐다. 이를 통해 깨달은 점은 교과서는 누군가가 교육과정을 해석한 것일 뿐이고, 절대적인 교재가 아니다. 따라서 교사가 교과서 그대로 가르치지 않고 가르치는 학생들의 성향, 학업 수준에 맞게 적절히 변형할 수 있어야 한다는 것이다.

(J의 진술 中)

J도 L과 마찬가지로 교과서 실험이 그 내용에 따라 실험의 재현도가 높지 않을 수 있다는 것을 깨닫고 있다. 그리고 교과서 분석을 통해 교과서마다 제시하고 있는 실험 방법이 다르다는 것도 발견했다. 이를 통해 교과서 실험을 학생에 맞게 변용할 수 있는 능력이 교사의 매우 중요한 능력 중의 하나임을 깨닫게 된 것으로 보인다.

2. 모의 실험수업 경험이 예비물리교사의 실험수업에 대한 인식에 미친 영향

본 연구에서 예비교사들은 조별로 진행한 개방형 탐구에 더해 개별적으로 모의 실험수업을 하나씩 준비하고 실연하는 경험을 했다. 이와 동시에 학생으로서 다른 예비교사들이 진행하는 모의 실험수업에 참여하는 실험수업 참여자의 역할도 수행했다. 개방형 탐구 경험과 더불어 실험수업을 실제로 준비 및 진행해보고, 학생의 입장에서 실험수업에 참여해 본 경험은 예비교사들의 실험수업에 대한 생각이 긍정적으로 변하도록 영향을 주었다.

1) 실험수업에 대한 학생의 흥미와 참여에 대한 인식 변화

연구자는 학기초에 중등물리실험 지도 수업을 진행하며 예비교사들이 실험수업을 진행할 때 학생 입장에서는 이미 다 아는 내용에 대한 실험이 진행되다보니 실험을 하는 것을 지루해하거나 적극적으로 참여하지 못할 것을 걱정했었다. 하지만 예비교사들은 중고등학교 때 교과서에 있는 실험조차 제대로 해 본 경험이 없었고, 교과서의 지식들이 실험으로 실제로 구현되는 것에 대해 즐거움을 느꼈다. 즉, 예비교사들은 다른 예비교사들이 진행하는 중등 수준의 실험수업을 상당히 재미있어했다.

사실 실험수업에 대해 회의적이었습니다. 재미가 없었고, 해야할 과제가 늘어난다는 인상이 강했습니다. … 생각보다 실험수업이 재밌다고 느꼈습니다. 수업을 하는 사람이 친구라서 더 재미있게 느꼈는 지는 의문이지만 학생의 입장에서 본 실험수업은 재미있었습니다.

(A의 진술 中)

A는 처음에 실험수업에 회의적인 입장을 가지고 있었다. 특히, A의 경우 중고등학교 때는 실험수업을 거의 진행하지 않아 실험수업 자체에 관심이 거의 없었다. 대학 진학 이후 학과의 커리큘럼에 실험이 포함되어 있어 실험수업에 참여하기는 하는데 보고서 작성 등의 부담으로 인해 과제가 늘어나는 것에 부정적이었다. 하지만 본인이 직접 실험수업을 준비하고, 또 다른 예비교사의 실험수업에 참여하며 간단한 물리적 현상이 실제로 구현되는 것에 흥미를 느끼고 모의 실험수업에 적극적으로 참여했다. 예비교사들이 실험수업에 대해 가지게 된 긍정적인 생각 변화는 향후 본인들이 가르치게 될 학생들에게도 실험수업이 재미있을 것이고, 또 필요할 것이라는 인식에 이른다.

일단 가장 먼저 든 생각은 실험수업은 학생의 입장에서 이만한 재밌는 수업이 없다라는 것이다.

(E의 진술 中)

실험수업이 학생들의 흥미를 유발하고 과학자가 될 수 있는 기회를 제공할 수 있다고 생각합니다.

(L의 진술 中)

E는 실험수업 준비 및 참여 경험이 실험수업과 관련한 본인의 생각에 어떠한 영향을 주었는지에 대해 가장 먼저 학생의 입장에서도 실험수업이 가장 재미있는 수업일 것이라는 생각을 떠올릴 정도로 실험수업에 대한 인식이 긍정적으로 변했다. 또한 L의 진술에서 확인할 수 있는 것처럼 이런 긍정적인 인식은 학생들에게도 실험수업 경험을 시켜줘야 한다는 실천적인 인식으로 이어진다. L과 같이 많은 학생들이 실험수업이 학생의 흥미 유발에 도움이 될 것이라 생각하고 있었는데, 이 외에도 실험수업의 포괄적인 효과를 언급하는 예비교사들도 있었다.

3조의 ‘빛의 굴절’ 실험도 밀도에 따라 굴절 정도가 변한다는 내용을 시각적 자극 없이 학생이 상상력을 발휘하는 것만으로는 효과적인 학습이 어려운데, 이를 직접 관찰하여 교과내용 학습시의 오개념 발생을 예방하고 학습동기를 향상시킨다. 이렇듯 교과내용 학습에 효과적인데, 이에 그치지 않고 핵심역량 함양, 과학에 대한 학생의 태도 등 정의적인 영역의 학습도 가능하다는 것이 매력적이다.

(J의 진술 中)

J는 실험수업은 학생들이 직접 관찰할 수 있는 경험을 부여함으로써 학생들의 교과 내용 학습 등의 지식 측면에서도 도움이 될 뿐만 아니라 과학에 대한 태도 등의 정의적 측면에서도 도움이 될 것이라 언급하고 있다. 실험수업이 재미있을 뿐만 아니라 여러 면에서 학생들에게 도움이 된다는 인식은 학생들에게 실험수업이 반드시 필요하다는 생각으로 이어진다.

확실히 물리 수업에 있어 실험수업은 필수적인 것이라고 생각이 들었다. 실험을 함으로써 자신이 배운 물리 개념이 맞다는 것을 확인할 수 있고, 다소 조금 현실과 동떨어져 있다고 생각할 수 있는 물리 개념들이 ‘실제로 현실에도 잘 적용되는 거구나.’ 라고 생각할 수 있게끔 하기 때문이다.

(N의 진술 中)

물리 개념들은 추상적인 특성이 있어 학생들은 그 개념들이 실제 제대로 작동하고 적용되는지 의구심을 품게 마련이다. 예비교사들은 실험수업에 참여하며 본인들이 중고등학교 때 배운 물리학적 지식들이 실제 구현되는 것에 큰 흥미를 느꼈고, 이런 경험으로 인해 물리 수업에서 실험수업은 빠져서는 안 되는, 필수적인 것이라 생각하게 되었다.

2) 실험수업의 어려움 및 실험수업 전문성의 필요에 대한 인식

본 연구에서 실험수업을 준비하고, 또 학생으로서 실험수업을 경험하며 예비교사들에게 실험수업의 긍정적인 측면만 부각된 것은 아니었다. 실험수업을 준비하면서 교사는 어떠한 어려움을 겪는지, 교사에게 요구되는 것은 무엇인지 실험수업의 여러 어려운 점 및 실험수업과 관련된 현실이 드러나기도 했다. 특히, 본 연구에서 조별 개방형 탐구 과제를 수행한 5개조 중 4개조가 교과서 실험을 심화해서 탐구했는데, 이를 통해 교과서의 실험의 경우에도 재현성이 떨어지는 경우가 있으며, 이론과 일치하는 실험 결과를 얻기 위해서는 많은 노하우가 필요하다는 것을 깨달았다. 또한 실험수업을 진행하며 교과서에 제시된 간단한 실험의 경우에도 실험이 수행되는 상황에 따라 결과가 제대로 나타나지 않는 사례들도 경험했다.

우선 가장 크게 느낀 건, 실험은 뭐 하나 쉬운게 없다는 것이었다. 아무리 쉬운 실험이라도 예상치 못한 변수가 굉장히 많다. 보다 완벽한 실험수업을 진행하기 위해서는 많은 시행착오와 시간, 노력이 필요하다는 것을 느꼈다. 실험수업 자체는 굉장히 좋은 수업이지만, 이를 준비하는 교사의 입장에서는 굉장히 힘들겠다라는 생각을 하게 되었고 …

(E의 진술 中)

실험을 할 때 개념과 다르게 잘 안되었던 실험들도 종종 있었는데 왜 그러한 결과가 일어나는지 사전에 원인 분석을 철저히 하고 수업에 임해야겠다.

(D의 진술 中)

위의 진술에서 E는 실험의 경우 많은 변수가 있기 때문에 실제 학교에서 교사가 수업을 진행할 때 예상치 못한 변수에서 비롯되는 어려움이 생긴다고 보았다. 따라서 예비교사들은 실험수업을 진행할 때는 D의 진술과 같이 교사는 수업 중에 예상치 못한 변수가 발생하지 않도록 사전에 철저히 준비해서 수업을 진행해야겠다는 다짐을 하게 된다. 하지만 역설적으로 완벽한 실험수업에 대한 이러한 다짐은 실험수업에 대한 교사의 두려움 내지는 어려움으로 귀착된다. 즉, 예비교사들은 사전에 모든 요소를 고려하여 실험수업을 준비하기 위해서는 교사의 많은 노력이 필요하며, 이에 따라 실험수업은 교사에게 힘들 수밖에 없는 수업이라 판단하는 경향이 있었다.

예비교사가 느낀 실험수업의 어려움은 비단 교사의 차별적인 노력이 필요하다는 것에만 국한된 것은 아니었다. 예비교사들은 우리의 학교 환경이 실험수업을 할 수 있는 환경이 아니라고 인식하고 있었다.

실제 학생들한테 가면 좀 안 맞는 것 같아요. 어떤 면에서 학생들도 워낙 실험수업 이런 거 하면 저도 그랬듯이 약간 꿀 수업, 이렇게 생각하니까 그냥 대충 하고 재미없는 거 그냥 별로 제대로 할 생각도 없고 …

(H의 면담 中)

H는 본인의 학생 때의 경험을 떠올리며 학생들이 이론 수업은 시험에 나오는 내용이니까 수업을 열심히 들으려고 노력하지만 실험수업은 그렇지 않으니까 대충하려는 경향이 있다고 생각했다. 즉, 우리나라 학교 학생들에게는 실험수업이 잘 맞지 않고, 학생들이 실험수업을 받아들일 준비가 되어 있지 않기 때문에 제대로 된 실험수업을 진행하기가 어렵다는 것이다. 학생 측면외의 어려움 외에도 시간, 재정적 지원 등의 한계를 언급하는 경우도 있었다.

애들 관리하는 것 자체가 힘들고 블록 시간제 활용할 수 있다지만 그걸 늘 블록 시간대로 해서 묶어서 하는 그것도 이제 좀 한계가 있을 것 같아 … 결국에는 이제 애들 진도 나오고 시험 치고 이런 부분도 있을 테니까 그리고 학교 재정적으로 얼마나 이제 실험 장비나 이런 걸 준비할 수 있나 …

(K의 면담 中)

K는 실험수업의 경우 시간이 많이 걸리기 때문에 블록 시간으로 운영하는 것이 효과적이라고 생각하고 있었다. 하지만 실제 학교 현장에서 모든 수업을 블록 수업으로 운영할 수는 없기 때문에 실질적인 실험수업을 진행하는데 한계가 있을 것이라 보았다. 또한 실험수업의 경우 시간이 많이 걸리기 때문에 실험수업을 자주 진행하면 교과서 내용의 진도를 나가는데 어려움을 줄 것이라 생각했다. 그리고 많은 학교에서 실험수업을 제대로 할 수 있는 장비가 제대로 구비되어 있지 않아 실질적인 실험수업을 진행할 수 없을 것으로 보았다.

실험수업의 진행에 대한 이런 다양한 어려움에 대한 예비교사들의 자각은 본인이 향후 교사가 되었을 때 실제로 실험수업을 하기 어려울 수 있겠다는 생각으로 이어진다.

해보니까 실험수업을 하려면 너무 진짜 엄청난 준비가 들어간다는 걸 깨달았는데 조금 더 능숙한 교사가 되면 학생들이 진짜 재미있게 할 수 있을 법한 그러니까 다른 선배분들이 하신 것처럼 스토리텔링으로 이렇게 하나씩 풀어가는 …

(B의 면담 中)

실험수업 자체는 굉장히 좋은 수업이지만, 이를 준비하는 교사의 입장에서는 굉장히 힘들겠다라는 생각을 하게 되었고, 만약 내가 교사라면, 한 달에 한 번 정도의 주기로 실험수업을 진행할 것 같다.

(E의 면담 中)

B는 실험수업은 준비가 많이 필요하고, 특히 교사의 전문성이 요구되는 수업이므로 초보 교사 때부터 실험수업을 진행하기는 힘들 것 같고, 향후 숙련된 교사가 되어야 가능할 것이라 생각하고 있다. 또한 E는 현실과 타협하여 실험수업은 준비하기는 힘들지만 좋은 수업 형태이기 때문에 한 달에 한 번 정도는 진행할 수 있을 것 같다고 언급하고 있다. 이처럼 예비교사들은 실험수업의 장점을 인정하고, 실험수업이 물리 수업에서 필수적인 수업이라 생각했지만, 실험수업을 진행하기 위한 교사의 노력과 전문성을 생각해보면 막상 본인이 교사가 되었을 때 실험수업을 진행할 수 있을지는 잘 모르겠다는 자신감이 부족한 모습을 보여주었다.

연구 결과 예비교사들은 개방형 탐구를 통해 개방형 실험의 가치를 깨닫고, 개방형 탐구가 즐거울 뿐만 아니라 개념 이해에도 도움이 된다고 표현했다. 특히 개방형 탐구는 과학자가 하는 일에 가까우므로, 학생들에게도 이를 경험하게 해줘야 한다고 보았다. 또한 예비교사들은 개방형 탐구 경험을 통해 교과서 실험에 대해서도 비판적인 시각을 갖게 되었다. 즉, 예비교사들은 교과서 실험을 있는 그대로 학교 현장에서의 실험수업에 활용하기 힘들며, 교과서 실험수업을 위해서는 이를 비판적으로 바라볼 수 있는 교사의 역량이 필요하다는 것을 인식했다.

한편, 예비교사들은 모의 실험수업을 통해 실험수업이 재미있으며, 학교 현장에서의 수업에서도 필수적이라는 것을 깨달았다. 특히, 예비교사들은 기존에는 학생들이 실험수업에 부정적일 것이라 인식하고 있었으나, 모의 실험수업 경험을 통해 실험수업에 대한 학생의 흥미와 참여가 긍정적일 수도 있을 것이라고 판단했다. 하지만 실험수업의 준비에는 많은 노력이 필요하며, 실험 내용에 대한 교사의 철저한 이해가 필요하다고 인식했다. 본 연구의 결과를 바탕으로 다음과 같은 몇 가지 시사점을 제안하고자 한다.

첫째, 예비교사들에게 보다 많은 개방형 탐구 경험을 부여해 줄 필요가 있다. 예비교사들은 중고등학교 수업 상황에서 실험수업을 거의 경험해보지 못했기 때문에, 실험수업 형태의 수업을 낯설게 생각하고 있으며, 실험수업에 대한 두려움을 가지고 있다. 대학에 진학한 이후에는 실험수업을 경험하지만 이것 마저도 개방도가 낮은 형태의 실험수업으로 진행되는 경우가 많아 탐구에 대해 부정적인 인식을 가지고 있는 경우가 많다. 이에 따라 예비교사들이 향후 현직교사가 되어도 학교 현장에서 실험수업을 진행하지 않는 악순환이 되풀이되고 있다. 본 연구에서 예비교사들은 개방형 탐구를 통해 자연을 탐구하는 것을 즐기고, 실험수업에 대한 인식도 긍정적으로 변화하는 모습을 보여주었다. 탐구 및 실험수업에 대한 긍정적인 인식이 실험수업 실천을 위한 첫걸음이 될 수 있을 것이라는 부분을 고려한다면 개방형 탐구 경험을 통해 예비교사들의 탐구 및 실험수업에 대한 긍정적인 인식 변화는 대단히 중요하다고 할 수 있다.

둘째, 예비교사들이 중등 수준의 실험수업을 준비할 수 있는 경험을 부여하고, 실험수업의 어려움을 구체적으로 해소할 수 있도록 도와줄 필요가 있다. 특히 본 연구에서 예비교사들은 한 번의 실험수업 준비 경험으로도 실험수업과 관련한 여러 어려움을 자각하게 되었고, 이 과정에서 예비교사들이 언급한 어려움은 현직교사들이 언급하고 있는 어려움[34, 35]과도 큰 차이가 없었다. 하지만 이러한 어려움이 현실적으로 극복 불가능한 것이라 인식하게 되는 경향이 있었다. 따라서 예비교사들도 다양한 방식으로 실험수업을 준비하고 실행해 보도록 유도하고, 예비교사들이 겪는 어려움을 동료들, 혹은 지도교수와 함께 극복하는 기회를 부여해줄 필요가 있다. 실험수업의 어려움을 극복한 긍정적인 경험은 향후 예비교사들이 현직교사가 되었을 때 여러 어려움이 있는 실험수업을 계속해서 진행해 나갈 수 있는 원동력이 될 수 있을 것이라 생각된다.

셋째, 개방형 탐구 경험과 실험수업 준비 경험을 연계시켜 줄 필요가 있다. 본 연구에서 연구자는 한 학기 동안의 중등물리실험 지도 강의에서 예비교사들에게 조별로 개방형 탐구를 하게 하고, 개별적으로 모의 실험수업을 준비하게 했다. 그 결과 개방형 탐구 경험과 모의실험수업 경험은 여러 측면에서 선순환을 일으키는 모습을 보여주었다. 예를 들어 개방형 탐구를 통해 교과서 실험에 대한 비판적 안목을 기르게 된 예비교사들은 향후 본인의 실험수업을 준비하면서 교과서에 제시된 대로 실험을 진행하는 것이 아니라 학생에게 맞는 실험 내용을 제시하려면 어떻게 해야 하는지 깊이 고민했다. 또한 개방형 탐구에서 경험한 탐구에 대한 긍정적 인식 변화는 실험수업에 대한 긍정적 인식과 연계되어 개방형 요소가 가미된 실험수업을 준비하겠다는 예비교사들의 의지를 이끌어 내었다. 이처럼 본 연구에서는 하나의 강의에서 예비교사들에게 개방형 탐구와 모의 실험수업을 동시에 경험하게 함으로써 예비교사들이 바람직한 실험수업의 모습을 고민할 수 있는 기회를 부여할 수 있었다.

넷째, 예비교사들에게 여러 교과서 실험들을 비교 및 분석할 수 있는 경험을 제공해 줄 필요가 있다. 본 연구에서 교과서 실험을 주제로 개방형 탐구를 진행한 예비교사들은 여러 종류의 교과서들에서 동일한 실험 주제가 어떻게 변용되어 나타나는지 탐색하고, 학생들에게 가장 적절한 실험의 제시 방식은 무엇인지 깊이 고민하는 모습을 보여주었다. 즉, 예비교사들은 여러 종류의 교과서들을 비교 분석하면서 교과서에 제시된 실험 방식이 절대적인 것이 아니며, 학생에게 가장 알맞은 형태로 실험들을 제시할 필요가 있다는 것을 깨닫게 된 것이다. 따라서 예비교사들이 여러 교과서 실험들을 비교 분석할 기회를 얻는 것만으로도 실험수업은 단순히 교과서 실험을 따라하는 것이 아니며, 교과서 실험은 교사를 위한 하나의 참고 자료라는 인식을 줄 수 있을 것이라 생각한다.

끝으로 본 연구에서 소개한 개방형 실험 방법을 예비교사교육에 활용할 때 유의할 점에 대해 제안하고자 한다. 연구자는 본 연구의 참여자들이 개방형 탐구를 수행하게 하기 위한 참고자료로 스마트폰 물리 실험과 관련한 논문들을 제공하였고, 이와 더불어 교과서 속 실험 내용을 개방형 탐구 주제로 해도 좋다고 안내하였다. 그 결과 개방형 탐구를 수행한 5개의 조 중 1개의 조의 경우만 논문을 참고하여 개방형 탐구를 진행하였고, 나머지 4개의 조는 교과서 실험을 심화하는 형태로 탐구를 진행하였다. 논문 제공에 대한 예비교사들의 피드백은 없었지만 아무래도 예비교사들이 논문을 바로 활용하기에는 어려움이 있었을 것으로 짐작된다. 따라서 연구자는 향후 예비교사들을 위한 개방형 탐구 주제를 교과서 속 실험으로 제한하거나, 과학전람회 등 중등 학생들이 개방형으로 탐구한 사례를 소개해 주는 것이 더 좋을 것이라 판단한다.

이 논문은 정부 (과학기술정보통신부) 의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (No. 2021R1G1A1003349).