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Korean J General Edu > Volume 17(6); 2023 > Article
과학 역량 함양을 위한 블렌디드 러닝 기반 기초 화학 과목의 개발 및 적용

Abstract

대학에서 기초 과학 교육은 기초교육이자 교양교육으로서 내용 지식을 가르치는 동시에 과학적 역량을 함양해야 한다는 사회적 요구에 직면해 있다. 이 연구는 내용 지식과 과학 역량을 모두 계발하는 수업을 설계하기 위해 <일반화학> 과목을 대상으로 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업(실험군)과 대면 강의 중심 수업(대조군)을 개발 및 운영하고, 과학 역량, 학업성취도, 수업만족도 등의 변화와 차이를 비교하였다. 실험군은 동영상 강의를 통해 비대면으로 교과 내용 지식을 학습하고, 대면에서는 과학적 문제해결과 글쓰기 중심의 역량 기반 활동을 통해 과학 역량을 습득하도록 설계하였다. 대조군은 교과 내용 지식 중심의 강의식 수업으로 구성되었으며, 모든 수업이 교실에서 대면으로 이루어졌다. A대학교의 <일반화학> 수강자를 대상으로 동일한 학기에 동일한 교수자에 의해 실험군과 대조군 수업이 이루어졌으며, 실험군 참여자는 23명, 대조군 참여자는 24명이었다. 연구결과, 과학 역량과 관련하여 실험군은 ‘과학적 탐구’와 ‘과학적 의사소통능력’에서 긍정적으로 역량이 개선된 반면, 대조군은 ‘과학적 참여와 평생학습’ 역량이 저하되었다. 학업성취도는 통계적으로 유의미한 차이는 없었지만, 평균적으로 대조군이 실험군에 비해 높았다. 반면 수업만족도는 대체로 실험군이 대조군에 비해 높았다. 마지막으로 논의 및 결론 부분에 블렌디드 기반 역량 중심 수업을 설계하려는 연구자를 위한 제언을 추가하였다.

Abstract

Basic science education in university serves as both a basic education and general education, responding to social demands for the teaching of content knowledge and the cultivation of scientific competencies. This study aimed to design and implement a competency-based blended learning approach (the experimental group) and a face-to-face lecture-centered approach (the control group) for the course “General Chemistry” to develop both content knowledge and scientific competencies, comparing changes and differences in scientific competencies, academic achievement, and course satisfaction. The experimental group acquired content knowledge through video lectures in a distance setting and developed scientific competencies through face-to-face activities emphasizing scientific problem-solving and writing. On the other hand, the control group received lecture-based instruction focusing on content knowledge. Finally, all classes were conducted face-to-face in a classroom. Both experimental and control group classes were led by the same instructor during the same semester for students of <General Chemistry> at A University, with 23 participants in the experimental group and 24 participants in the control group. Results revealed positive improvements in scientific competencies, specifically in “scientific inquiry” and “scientific communication skills,” for the experimental group, while the control group experienced a decline in “scientific participation and lifelong learning” competencies. Although there was no statistically significant difference in academic achievement, the control group’s average was generally higher than that of the experimental group. Conversely, course satisfaction was generally higher for the experimental group compared to the control group. Finally, some implications are suggested for instructors aiming to design blended competency-based courses.

1. 서론

기초 과학 교육 분야에서 다루어야 할 과학 지식이 교육으로 해결할 수 없을 정도로 폭발적으로 증가하게 되면서 과학 교육의 목적은 지식을 습득하는 것에서 지식의 형성 과정을 훈련함으로써 과학적 역량을 함양하는 것으로 변화해 왔다(백종호, 2020; National Research Council, 2000; Deboer, 2006). 학생들은 가설의 수립과 검증, 체계적인 관찰과 측정, 조사와 실험, 논리적인 결론 도출 등 과학자들이 연구와 실험을 수행하는 것과 동일한 과정을 경험하고 학습함으로써 과학에 대한 지식을 익히는 것을 넘어서 전문 과학자와 같이 논리적으로 사고하고 수리⋅과학적 자료를 다루며 관련 내용에 대해 소통하는 과학적 역량을 기를 수 있다.
과학 교육을 통해 습득해야 하는 역량이 무엇인가에 대해서는 최근 비교적 다양한 연구가 진행되어 왔다(고은정, 정대홍, 2019; 곽영순, 홍석영, 2022; 박종원, 윤혜경, 권성기, 2019; 변태진, 2021; 심현표 외, 2021; 이경건 외, 2019; 임효진, 장진아, 송진웅, 2018). 그러나 이러한 선행연구들은 대학이 아닌 초⋅중⋅고등학교의 과학 교육을 대상으로 한 것이 많다. 이는 2015 개정 교육과정부터 국가 교육과정이 핵심 역량을 중심으로 교과 교육의 전 과정을 개편해 왔기 때문이다. 이에 따라 초⋅중⋅고등학교 과학 교과에서 규정한 역량은 ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’, ‘과학적 탐구능력’, ‘과학적 문제해결력’, ‘과학적 사고력’, ‘과학적 의사소통 능력’ 등 다섯 가지이다.
대학의 기초 과학 과목에서도 과학 역량 교육이 강조되는 추세이다. 이보경(2023)은 최근의 미국, 유럽, 호주의 대학 화학 교육 사례를 인용하며 전통적인 학문 중심의 교육에서 역량 중심의 학습 성과를 강조하는 방향으로 과학 교육이 재편해 가고 있다고 지적하였다. 그리고 이를 위해 교과과정을 설계할 때부터 교과 내용과 교수 학습 방법의 근본적인 변화가 필요하며, 이러한 교육 패러다임 변화에 맞춰 의사소통, 팀 활동, 윤리와 사회적 책임 등 일반적인 역량이 대학의 과학 교육에 접목되야 한다고 주장하였다.
대학에서 이공계열을 대상으로 개설된 기초 과학 과목은 다양한 목적을 지닌다. 무엇보다 이공계열 신입생이 이후 전공 교육을 원활하게 학습하기 위해 필수적으로 알아야 하는 기초 과학 지식을 교육하고 과학적 탐구 과정을 경험하도록 설계되어야 한다. 또한, 이공계열 전공자로서 자연과학에 대해 보편적으로 알아야 하는 기초 원리와 개념을 이해하고 분석력이나 추론력 같은 과학적 사고력을 훈련하도록 개발되어야 한다. 더 나아가 대학 신입생을 대상으로 하기에 고등학교 과학수업과 다른 대학다운 교수학습이 무엇인지 맛볼 수 있어야 한다. 대학의 기초 과학 교육은 전공 진입을 위한 기초교육, 이공계열을 위한 보편적인 교양교육, 고등교육에 걸맞는 대학다운 학습경험을 위한 신입생교육 등의 성격을 모두 지닌다. 어떤 관점을 강조하는가에 따라 교수설계가 달라질 수 있다. 그러나 모든 관점에서 공통적으로 강조하는 것은 과학적으로 현상을 분석하고 탐구를 통해 결론을 도출하는 과학적 사고력으로 보인다.
따라서 대학의 기초 과학 교육은 다양한 과학 역량을 고려하지만, 무엇보다 과학적 사고력이 함양될 수 있도록 과학적 추론의 과정을 핵심에 두고 수업을 설계하여야 한다. 하지만 대부분 강의와 실험으로 구성되는 기초 과학 과목에서 교과 지식과 함께 과학적 역량을 함양하도록 수업을 설계하는 것은 쉽지 않다. 과학적 사고와 추론을 유도하기 위해 가장 많이 사용하는 방법은 과학 실험과 글쓰기, 토론을 연계하는 것이다. 선행연구에서도 수업에서 탐구보고서 등 과학 글쓰기를 연계하는 방안(김현정, 김성기, 2021; 이정은, 정은영, 2013)이 제시되고 있으나 이는 대학이 아닌 고등학교를 대상으로 하였다. 대학에서 활용할 수 있는 논증적 과학 글쓰기를 위한 평가 루브릭을 개발한 사례도 있으나(방담이, 2022), 수업 설계 방안이 구체적이지 않아서 바로 과학 수업에 적용하기에는 쉽지 않다. 협력 활동을 통해 상호작용을 유도하는 방안(황은경, 신종호, 2022)도 있으나 코로나 시기 비대면 상황을 가정하고 있어서 대면 강의에 적합하지 않다.
더불어 기초 과학 교과에서 과학적 사고력이나 과학 관련 역량을 강조하는데 어려운 점은 다루는 지식의 범위를 축소하지 않아야 한다는 것이다. 대학의 기초 과학 과목은 일반적이고 보편적인 역량을 개발해야 하는 교양교육인 동시에 이공계 전공 수업을 수강하기 위한 지적인 준비를 하는 기초교육의 목적을 달성해야 한다. 따라서, 과목에서 다루어야 하는 과학 지식의 범위를 줄이지 않으면서 과학적 사고력을 비롯한 역량을 계발하도록 하는 과학 수업을 설계할 필요가 있다.
온라인 학습을 통한 이론 교육과 면대면 학습활동을 통한 실습을 결합한 블렌디드 러닝은 역량 강화와 관련한 교육을 위한 효과적인 방법이 될 수 있다. 코로나 팬데믹 이후 블렌디드 러닝을 비롯한 다양한 교육용 매체의 활용이 대학에서 확대되고 있다. 블렌디드 러닝은 과학에 대한 흥미도를 높이며 과학에 대한 태도와 만족도에 긍정적인 영향을 줄 수 있다(신예진, 우애자, 2011). 상당한 정보를 암기해야 하는 동시에 실제적인 문제해결과정이 함께 수업에서 다루어져야 하는 보건계열의 교과에서도 블렌디드 러닝은 효과적이었다(김건희, 2017; 배윤주, 이정민, 2021).
이에 이 연구는 대학생의 과학적 사고력을 중심으로 한 역량 계발을 위한 기초 화학 과목의 교수모형을 제안하고자 한다. 특히 블렌디드 러닝을 도입하여 비대면으로 기초 과학 지식을 학습하도록 안내하고, 실제 대면에서는 역량 기반 활동을 중심으로 구성한 수업을 통해 과학적 사고력을 비롯한 다양한 역량을 습득하도록 유도하고자 한다. 이 연구의 연구문제는 다음과 같다.
첫째, 과학 역량 개발을 위한 블랜디드 러닝 기반 역량 중심 기초 화학 과목의 교수 설계는 어떠한가?
둘째, 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 기초 화학 과목과 대면 강의 중심 기초 화학 과목 수강생의 과학 역량은 어떤 차이가 있는가?
셋째, 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 기초 화학 과목과 대면 강의 중심 기초 화학 과목 수강생의 학업성취도와 수업만족도는 어떤 차이가 있는가?

2. 이론적 배경

2.1. 과학 관련 역량과 과학적 사고

과학 교육을 통해 함양해야 하는 역량이 무엇인가에 대해 다양한 논의가 진행되어왔다. 이러한 논의에서 항상 핵심이 되었던 것은 과학자들이 과학 활동을 하는 과정에서 요구되거나 작동하는 역량을 학생에게 함양해야 한다는 것이다. OECD(2017, p.15)는 PISA 2015에서 과학적 문해력(scientific literacy)을 ‘반성적 시민으로서 과학에 대해 생각하고 과학과 관련된 논쟁에 참여할 수 있는 능력’이라고 보고, ‘과학적 문해력이 있는 사람은 과학과 공학에 대한 합리적인 담론에 기꺼이 참여할 것’이라고 지적하였다. 그리고 이와 관련된 역량을 ‘현상을 과학적으로 설명하기’, ‘과학적 탐구를 평가하고 설계하기’, ‘자료와 증거를 과학적으로 해석하기’로 규정하였다. 이 세 역량은 과학자의 ‘과학하기’의 활동과 일치하며, 그 과정에서 과학적 사고력과 추론 능력이 요구된다.
우리나라 초⋅중⋅고등학교의 경우 2015 개정 교육과정을 개발하며, 국가교육과정에서 함양하고자 하는 핵심 역량을 설정하고, 교과별로 고유의 특성을 반영하여 역량을 구현하도록 하였다. 과학 교과는 ‘과학의 개념을 이해하고 과학적 탐구 능력과 태도를 함양하여 개인과 사회의 문제를 과학적이고 창의적으로 해결할 수 있는 과학적 소양을 기르기 위한 교과’이다(교육부, 2015, p.3). 과학과 교육과정에서 규정한 역량은 ‘과학적 사고력’, ‘과학적 탐구력’, ‘과학적 문제해결력’, ‘과학적 의사소통 능력’, ‘과학적 참여와 평생 학습 능력’ 등 다섯 가지이다. 교육부(2015, pp.3~4)에 따르면, 과학적 사고력이 ‘과학적 주장과 증거의 관계를 탐색하는 과정에서 필요한 사고’ 능력이라면, 과학적 탐구력은 ‘과학적 문제 해결을 위해 실험, 조사, 토론 등 다양한 방법으로 증거를 수집, 해석, 평가하여 새로운 과학 지식을 얻거나 의미를 구성해 가는 능력’이고, 과학적 문제해결력은 ‘과학적 지식과 과학적 사고를 활용하여 개인적 혹은 공적 문제를 해결하는 능력’이다. 이 셋은 의미상 각각 구분되기는 하지만 서로 밀접히 연계되어 있어 역량의 발휘 과정에서 독립적으로 활용되기 어려워 보인다.
한국과학창의재단은 초⋅중⋅고등학생은 물론 시민들이 갖춰야 하는 과학적 소양(scientific literacy)1에 대해 2014년부터 5년 간 연구해 왔다(송진웅 외, 2019). 과학적 소양은 ‘과학 관련 역량과 지식을 지니고 개인과 사회의 문제 해결에 민주시민으로서 참여하고 실천하는 태도와 능력’으로, 역량, 지식, 참여와 실천의 세 차원으로 구성된다. 역량은 전통적 과학 교육에서 강조했던 기능과 미래 사회에서 요구되는 기능으로 과학적 탐구력, 과학적 사고력, 의사소통과 협업능력, 정보처리와 의사결정 능력, 초연결사회 대응과 평생학습 능력 등 다섯 개로 구성된다. 지식은 전통적인 과학의 기초 지식과 개념에 해당하는 것으로 규칙성과 다양성, 에너지와 물질, 시스템과 상호작용, 변화와 안정성, 과학과 사회, 지속가능사회를 위한 과학기술이며, 참여와 실천은 탐구활동 참여와 생활 적용을 촉진하기 위한 것으로 과학 공동체 활동, 과학 리더십 발휘, 안전사회 기여, 과학문화 향유, 지속가능사회 기여 등이다. 2015 개정 교육과정의 과학과 역량의 ‘과학적 문제해결력’이 ‘정보처리와 의사결정 능력’으로 변경되었다는 것이 가장 큰 차이이다.
이 외에도 과학 역량에 대한 연구는 다양하고 점차 증가하는 추세이다(고은정, 정대홍, 2019). 이보경(2023)은 미국 화학회의 학사 프로그램 인증 기준에서 화학 전공 대학생에게 요구하는 능력이 화학 문헌 및 정보처리 능력, 실험실 안전 능력, 문제해결능력, 의사소통능력, 팀스킬, 윤리라 제시하였다. ‘화학 문헌’과 ‘실험실 안전 능력’을 제외하고는 일반적인 역량과 큰 차이가 없기에 과학과 관련된 영역 특정적 특성을 찾기가 쉽지 않다. 국내 과학 영역의 역량 관련 연구는 대부분 초중등교육을 대상으로 하고 있다. <표 1>에서 제시한 PISA 2015 과학, 교육과정의 과학과 역량, 미래세대 과학교육표준에서 제시한 과학 역량을 기초로 교수학습 방법을 연구하거나, 교사나 학생의 인식을 조사하거나, 실제 교육에서 활용 방안을 검토하는 방식으로 이루어지고 있다(곽영순, 홍석영, 2022; 김현정, 김성기, 2021; 심현표 외, 2021; 임효진, 장진아, 송진옹, 2018).
<표 1>
OECD, 교육부, 한국과학창의재단의 과학 역량
PISA 2015 (OECD, 2017) 2015 개정 교육과정 과학과 역량 (교육부, 2015) 미래세대 과학교육표준 (송진웅 외, 2019)
과학적 소양 반성적 시민으로서 과학에 대해 생각하고 과학과 관련된 논쟁에 참여할 수 있는 능력 과학의 개념을 이해하고 과학적 탐구 능력과 태도를 함양하여 개인과 사회의 문제를 과학적이고 창의적으로 해결 과학관련 역량과 지식을 지니고 개인과 사회의 문제해결에 민주시민으로서 참여하고 실천하는 태도와 능력

과학역량 • 과학적 사고력 • 과학적 탐구력
• 자료와 증거를 과학적으로 해석하기 • 과학적 탐구능력 • 과학적 사고력
• 과학 탐구 과정을 평가하고 설계하기 • 과학적 문제해결력 • 의사소통과 협업능력
• 과학적으로 현상을 설명하기 • 과학적 의사소통 능력 • 정보처리와 의사결정 능력
• 과학적 참여와 평생 학습 능력 • 초연결사회 대응과 평생학습 능력
이러한 과학 역량은 과학자들의 과학 수행 과정에서 나타나는 기능적 특성이나 인지적 활동, 태도 등을 포함한다. PISA 2015가 제시한 역량들이 겉으로 드러나는 ‘행동’에 초점을 맞췄다면, 다른 두 기관의 역량들은 이러한 행동을 가능하게 하는 자질과 능력에 초점을 맞추고 있다. 그러나, 의사소통 능력, 과학적 참여, 평생학습 능력, 협업 능력 등 비교적 독립적으로 구분되는 것도 있지만, 과학적 사고력, 과학적 탐구능력, 과학적 문제해결력, 정보처리와 의사결정 능력과 같이 과학 문제를 인식하고, 현상을 분석하고, 탐구를 설계하고, 연구를 수행하는 과정에서 서로 중첩되어 나타날 수 밖에 없는 역량도 있다. 후자를 넓은 범주에서 과학적 사고로 볼 수 있으며, 이러한 사고의 과정에서 자연스럽게 과학적 추론 활동이 이루어진다.
일반적으로 많은 학자들은 과학적 탐구능력이나 과학적 문제해결력을 모두 통합하여 과학적 사고나 과학적 추론이라고 지칭하기도 한다. 과학적 사고는 과학 문제를 해결하거나 과학 탐구를 수행하는 과정에서 자연스럽게 나타나는 인지 활동인 과학적 추론과 많은 부분에서 유사하다(Kuhn, et al. 2008; Zimmerman & Klahr, 2018). 과학적 추론(scientific reasoning)이 인지적 메커니즘에 기초한 더 전문화된 개념이라면, 과학적 사고(scientific thinking)는 과학 분야의 영역 특정적이며 더 통합적인 일반화된 개념이라 분류하기도 한다(Díaz et al. 2023). 하지만 Science Direct 등 주요 데이터베이스에서 이 두 개념이 사용된 과학논문 166편을 분석해본 결과 정확하게 두 개념의 차이를 구분한 논문은 6개에 불과하였으며, 분석한 166개 논문 중 3분의 1이 두 개념을 교차해서 사용하고 있었다(Díaz et al., 2023).
결과적으로 과학적 사고와 과학적 추론은 모두 자연 현상을 분석하고 이해하려는 과학적 방법을 수행할 때 나타나는 자연스런 사고 과정으로 많은 연구에서 두 개념을 혼용해서 사용한다. 과학적 사고력은 문제 인식, 탐구의 설계와 수행, 자료의 수집과 분석, 논리적 추론, 증거기반 토론과 논증, 결론 도출 등이 가능하도록 이끄는 인지적인 메커니즘으로 과학 교육에서 다루어지는 여러 역량을 포괄하는 핵심 역량이라 할 수 있다. 그러나 기관이나 연구자에 따라 과학적 사고력을 세분화하여 과학적 탐구능력, 과학적 문제해결력 등과 구분하여 조작적으로 정의하기도 한다.

2.2. 대학의 과학 교육에서 블렌디드 러닝 동향

블렌디드 러닝은 온라인과 오프라인 교육을 혼합하여 교육적 효과를 높이기 위해 활용되는 교수법 중의 하나이다. 기술 혁신에 기반한 4차 산업혁명과 코로나 팬데믹으로 인해 사회적으로 기술 의존성이 높아지며, 에듀테크 도입에 비교적 소극적이었던 대학도 변화하고 있다. 특히 지난 10여 년 간 개념 전달 중심의 교수학습 방법을 혁신해야 한다는 요구에 따라 대학에서도 온라인과 오프라인을 활용한 블렌디드 러닝이 확대되고 있다. 대학의 과학 관련 교육에서 블렌디드 러닝에 대해 보고한 연구는 많지 않지만, 교육적 측면에서 다음과 같은 시사점을 얻을 수 있는 부분이 있다.
먼저, 다루어야 하는 학습 내용이 많을 경우 블렌디드 러닝은 학습의 공간과 시간을 확장하는 효과가 있다. 신예진과 우애자(2011)는 대학의 <일반화학 실험> 교과에 온라인과 오프라인이 결합된 블렌디드 러닝 탐구 실험 수업을 진행하고 실험집단과 대조집단을 비교하였다. 그 결과 온⋅오프라인에서 다양한 상호작용과 교수자의 즉각적 피드백을 받은 실험집단에서 학생들의 과학적 탐구능력은 물론 학습동기와 과학 관련 태도가 통계적으로 유의미하게 상승하였음을 확인하였다. 즉, 블렌디드 러닝은 교수와 학생의 상호작용을 교실 밖으로까지 확장함으로써 학생들의 학습 능력 향상에 기여한다고 볼 수 있다.
이론 수업, 문제 풀이, 실험 등이 결합된 과학 교과와 마찬가지로 공학 수업도 이론 수업 외에 문제 풀이, 실습, 과제 수행 등을 포함한다. 박형근(2023)은 학습양과 활동이 많은 공학 수업에서도 온전한 대면 수업이나 온전한 온라인 수업에 비해 블렌디드 러닝이 효과적이라고 보고하였다. 2학점이나 4시수로 편제된 실습 중심의 <건축제도 및 CAD> 수업에서도 학생 피드백 등을 온라인으로 제공하는 등 대면과 비대면이 혼재된 블렌디드 방식은 수업의 공간을 확장하는 용도로 활용되었다(장명훈, 2012).
또한, 블렌디드 러닝은 수준이 다른 학습자가 반복학습을 통해 자기 학습 속도에 맞춰 학습하도록 도울 수 있다. 대학 미적분학 과목에서 특별히 교육 내용에 차이가 없이 일부 강의를 녹화하여 온라인으로 제공하였음에도 블렌디드 러닝으로 학습한 분반이 교육 효과 면에서 온전한 대면 수업으로 진행한 분반에 비해 통계적으로 유의미한 정도는 아니지만 학업성취도가 높았다. 김성옥(2016)은 그 이유가 선행지식과 학습능력의 차이가 심한 수학 과목에서 블렌디드 러닝이 반복 학습과 시간 조정을 가능하도록 했기 때문이라고 주장하였다. 이러한 특성으로 인해 블렌디드 러닝을 적용한 대학 기초수학 수업은 대면 수업에 비해 자기효능감, 학습지속의향은 물론 자기조절학습에 긍정적인 영향을 미쳤다(홍효정, 2017). 공업수학 수업에서도 블렌디드 러닝은 학생의 교수학습에 대한 인식 개선이나 수업만족도 증가는 물론, 학생이 자기주도적이고 개별화된 학습을 할 수 있도록 유도한다(이헌수, 2019)
본래 블렌디드 러닝은 학습 환경에 최적화된 수업을 하기 위한 전략적인 과정으로 두 가지 이상의 제시기법이나 전달 방법을 혼합하는 방식을 의미한다. 강의와 코칭과 같이 교수 전략을 혼합하거나 시뮬레이션과 스트리밍 비디오와 같이 수업 전달 매체를 혼합하거나, 온라인과 오프라인 같이 수업의 방식을 혼합할 수 있으며, 이 모두를 혼합할 수도 있다(권회림, 문은경, 박인우, 2015). 이 중에서도 주로 온라인과 오프라인 학습전략이 적절히 결합하여 활용됨으로써 최적의 학습 효과를 창출해 내는 방식을 블렌디드 러닝이라고 부른다.
효과적인 블렌디드 러닝이 되기 위해서는 체계적인 수업 설계가 중요하다. 블렌디드 러닝의 설계에서 핵심적으로 고려되어야 하는 요소는 학습 내용, 학습자, 활용 자원이다(권성연, 유선주, 강경종, 2005). 다루어지는 학습내용의 안정성이나 긴급성, 도달하고자 하는 학습 목표의 수준에 따라 온라인과 오프라인의 교수설계가 달라질 수 있다. 또한, 학습자의 학습 수행 능력, 테크놀로지 숙련도, 동기 수준, 학습 스타일도 영향을 미친다. 마지막으로 블렌디드 러닝을 제공하는 기관의 교육 전문가 보유 여부, 개발 및 운영 비용 및 조직의 지원 등 활용 자원도 고려해야 한다.

3. 연구방법

이 연구는 대학의 <일반화학> 과목에서 블렌디드 러닝 기반 역량 중심의 수업과 일반적인 대면 강의식 수업의 역량 변화, 학업성취도 및 수업 만족도 차이를 분석함으로써 새로운 대학의 기초 과학 교과의 수업 모형을 개발하는데 있다. 이를 위해 과학 교과의 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업 모형을 개발하고, 이를 일반적인 대면 강의식 수업과 함께 한 학기 동안 운영하였다. 전자를 실험군으로 후자를 대조군으로 하여 수강생의 역량 변화, 학업성취도와 수업만족도를 비교하였다.

3.1. 연구참여자

2023학년도 1학기 수도권 A 대학교에서 <일반화학> 과목을 수강한 두 개의 분반을 대상으로 연구가 진행되었다. 연구 참여자의 특징은 <표 2>와 같다. 본래 <일반화학> 과목은 이공계 1학년 필수과목이나 재수강 등으로 인해 2학년 이상이 수강하기도 한다. 역량 기반의 블렌디드 러닝 수업(이하 실험군)을 수강한 학생은 총 39명이었으며, 강의식 대면 수업(이하 대조군)을 수강한 학생은 총 43명이었다. 최초 수강생 중 최종 이수자(D이상 학점)는 실험군 35명(89.7%), 대조군 42(97.7%)명이었다. 진단평가, 학기 전⋅중⋅후의 역량평가, 1⋅2차 퀴즈, 중간고사 및 기말고사, 실험군의 경우 4차례의 역량 기반 활동에 모두 참여한 학생의 자료를 분석에 활용하였다. 결측이 없는 학생 자료는 실험군의 경우 23명(59.0%), 대조군의 경우 24명(55.8%)이었다. 최종이수자에 비해 결측 자료가 많은 이유는 학기 전⋅중⋅후의 역량평가 과정에서 이것이 학생의 성적에 포함되지 않으며 참여를 원하지 않으면 하지 않을 수 있음을 사전에 안내하였던 것과 관련이 있을 수 있다. 실험군과 대조군의 학생 특성은 다음과 같다.
<표 2>
연구참여자 특성
구분 실험군 대조군


최초수강생 최종이수자 결측없음 최초수강생 최종이수자 결측없음






빈도 비율 빈도 비율 빈도 비율 빈도 비율 빈도 비율 빈도 비율
학과 기계공학과 4 10.3 4 11.4 2 8.7 1 2.3 1 2.4 1 4.2

소프트웨어학과 5 12.8 4 11.4 2 8.7 - - - - - -

수학과 23 59.0 20 57.1 14 60.9 - - - - - -

전자공학과 7 17.9 7 20.0 5 21.7 42 97.7 41 97.6 23 95.8

전체 39 100.0 35 100.0 23 100.0 43 100.0 42 100.0 24 100.0

학년 1 28 71.8 24 68.6 16 69.6 41 95.3 40 95.2 23 95.8

2 2 5.1 2 5.7 1 4.3 - - - - - -

3 6 15.4 6 17.1 5 21.7 1 2.3 1 2.4 1 4.2

4 3 7.7 3 8.6 1 4.3 1 2.3 1 2.4 - -

전체 39 100.0 35 100.0 23 100.0 43 100.0 42 100.0 24 100.0

3.2. 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업 설계

3.2.1. 블렌디드 러닝 기반 수업 설계

<일반화학> 과목을 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업으로 설계하기 위해 먼저 <일반화학> 과목이 학습 내용, 학습자, 활용 자원 측면에서 블렌디드로 학습하는 것이 적절한지 타당성을 검토하였다(권성연, 유선주, 강경종, 2005). 수능 선택과목과 고등학교 과목 선택 등으로 대학 신입생의 선수지식 차이가 커지는 상황에서 <일반화학>의 교수 내용 중 개념 전달 위주의 학습 내용은 동영상을 통해 전달하는 것이 더 적절하다고 판단하였다. 기초 화학 개념에 대해 녹화 동영상을 반복 학습하는 방식으로 학생 스스로 학습의 속도를 조절함으로써 자기주도적 학습을 할 수 있기 때문이다(김성옥, 2016; 이헌수, 2019; 홍효정, 2017). 더불어 <일반화학> 강의는 코로나19 시기 온라인 플립드러닝으로 운영되면서 사전에 개발해 둔 온라인 강좌가 있었기에 활용 자원 측면에서도 적절하였다(황은경 외, 2022).
블렌디드 러닝 수업에서 온라인과 오프라인 수업을 혼합할 때, 수업의 차시를 분할하거나 혼합하여 온라인과 오프라인 수업 방식을 교대로 진행하는 수업을 지그재그 모형(Zigzag model, 이하 Z형)이라고 하고, 온라인과 오프라인 방식이 수업의 처음부터 병행하여 상호보완적으로 병렬적인 흐름을 가지고 운영되는 방식을 사다리 모형(Ladder 모형, 이하 H형)이라고 한다(최병수, 유상미, 2013). 전자는 수업의 내용이나 학습자의 편의에 따라 수업의 전달 방식이 온라인과 오프라인으로 변화하는데 초점이 맞춰져 있다면, 후자는 학습의 목표에 도달하기 위해 온라인과 오프라인 수업이 서로 상호보완하며 병행하여 이루어진다는 점에 차이가 있다. 이 수업은 온라인과 오프라인 수업이 교대로 있지만, 하나의 수업 주제를 중심으로 이론학습, 문제풀이, 역량활동 등을 병행하여 경험하며 상호 보완적으로 학습하도록 하기 때문에 H형에 가깝다고 할 수 있다.
<일반화학> 과목의 블렌디드 러닝 수업 모형은 [그림 1]의 실험군과 같이 구성되었다.
[그림 1]
<일반화학> 과목의 블렌디드 러닝 수업 설계와 일반 수업 설계
kjge-2023-17-6-173-gf1.jpg

3.2.2. 과학 역량 기반 활동 설계

역량 기반 수업이 되기 위해서는 먼저 <일반화학> 과목의 역량을 설정하여야 한다. 그런데 전공 차원에서 교육과정과 교과목을 맵핑하며, <표 3>과 같이 <일반화학> 과목의 교과 역량, 수업 목표가 설정되어 있었다. A대학교는 대학 차원에서 5개 핵심 역량과 16개의 하위역량을 설정하고, 역량별 핵심어에 따라 학습성과 문항을 개발하여 사용하고 있었다. <일반화학> 과목은 대학 차원에서 설정한 역량 중 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’와 연계되었으며, 이 역량의 핵심어는 분석, 비판, 과학적 탐구였다. 이 연구는 기존에 개발된 교과 역량과 수업 목표를 그대로 유지하였다.
<표 3>
<일반화학> 과목의 역량과 수업 목표
대학 차원 전공 차원

하위 역량 핵심어 화학 교과 역량 <일반화학> 수업 목표
분석⋅추론⋅ 비판적 사고 분석 논리적이고 과학적인 방법으로 자료와 정보를 분석하고 판단할 수 있다. 물질의 구성과 상태, 변화 그리고 그에 따른 현상들에 대하여 과학적으로 분석할 수 있다.

비판

과학적 탐구
과학 역량을 함양하기 위해서는 과학적 사고력을 활용하여 문제 인식, 탐구의 설계와 수행, 자료의 수집과 분석, 논리적 추론, 증거기반 토론과 논증, 결론 도출 등 인지적 수행을 유도해야 한다. 대표적인 과학 역량 기반 활동은 과학적 탐구와 실험(박종언, 윤혜경, 권성기, 2019; 최보경, 2023), 과학 글쓰기(김현정, 김성기, 2021; 방담이, 2022; 이정은, 정은영, 2013), 과학 주제에 대한 상호작용(임효진, 장진아, 송진웅, 2018; 황은경, 신종호, 2022)이라 할 수 있으며, 이는 교과목의 교육내용에 대한 이해를 바탕으로 이와 연계되어 이루어져야 한다. 이에 <일반화학> 과목의 과학 역량 활동 모형은 [그림 2]와 같이 구성되었다.
[그림 2]
<일반화학> 과목의 과학 역량 활동 설계
kjge-2023-17-6-173-gf2.jpg

3.3. 연구절차

전체 연구의 절차는 총 다섯 단계로 구성되었다.
첫째, 과학 분야의 블렌디드 러닝과 역량 중심 수업에 관한 다양한 선행연구를 검토하고 이를 기초로 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업을 위한 수업 모형과 활동 모형을 도출하였다.
둘째, 블렌디드 러닝을 위한 동영상 강의를 개발하였다. 기존에 개발되었던 동영상 강의를 수업의 차시에 맞춰서 8~15분 단위의 모듈로 편집하고, 업로드하였다.
셋째, 대면수업에서 활용할 총 6개의 역량 기반 활동을 개발하였다. 과학적 개념의 적용과 확장을 통해 과학적 문제해결을 하는 활동 3개와 개인 또는 팀별 과학적 글쓰기 활동 3개로 구성되었다.
넷째, 연구자가 진행하는 두 반을 선정하여 한 반은 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업을 하는 실험군으로, 다른 한 반은 일반적인 대면 수업이 이루어지는 대조군으로 지정하고 수업 설계에 맞춰서 한 학기 동안 운영하였다. 첫 수업의 오리엔테이션에서 해당 강의의 수업 운영 방식에 대해 자세히 안내하고 수업 참여를 원하지 않는 학생은 수강 정정 기간에 다른 수업을 수강할 수 있도록 유도하였다. 수업 운영 과정에서 실험군, 대조군 모두 2차례의 퀴즈, 중간고사와 기말고사에 참여하였으며, 웹과제를 수행하였다. 또한, 학생들의 과학 역량 변화를 확인하기 위한 조사가 1주차, 7주차, 15주차에 총 3차례 이루어졌다. 중간고사, 기말고사, 웹과제 점수 외에도 실험군은 역량 기반 활동 결과, 블렌디드 러닝을 위한 온라인 동영상 시청과 형성평가 점수가 최종 성적에 반영되었으며, 대조군은 대면 수업 출석 점수가 성적에 반영되었다.
다섯째, 학기가 종료된 후 학생들의 역량 진단 자료, 학업 성취도, 강의만족도 등을 면밀히 분석하였다.

3.4. 진단도구

과학 관련 역량과 관련된 루브릭이나 진단도구 개발에 대한 연구(방담이, 2022; 최보경, 2023; 하민수 외, 2018; 하민수, 2022)가 있으나 초⋅중등 교육을 대상으로 하는 것이 대부분이다. 대학을 대상으로 한 것은 논증적 과학 글쓰기 평가틀과 준거를 제시한 연구(방담이, 2022)가 있으나, 동일한 유형의 수업에 평가 도구로 변형하여 활용하기에는 유용하나, 학생의 수준을 진단하는 도구로 사용하기에는 적합하지 않았다.
이에 이 연구에서는 A대학교에서 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량에 따른 학습성과를 평가하기 위해 개발한 문항 16개와 하민수 등(2018)이 개발한 2015 개정 과학과 교육과정에 기초한 과학과 핵심 역량 조사 문항 25개 등 총 41개 문항을 활용하였다(<표 4> 참조). 모든 문항은 Likert 5점 척도를 이용하였다. 사전 검사를 중심으로 문항의 신뢰도를 살펴보면, .747에서 .899로 타당하다고 볼 수 있다. A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’의 문항 전체 신뢰도는 .940이고, 2015 개정 과학과 교육과정 역량의 문항 전체 신뢰도는 .946이었다.
<표 4>
진단 도구의 문항 구성
구분 역량 내용 문항 예시 문항수 신뢰도
A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량 분석 복잡한 현상이나 내용, 자료 등을 세부요소나 의미로 나눠 관계나 구조 등을 분석 나는 비교적 복잡한 사회/자연 현상도 논리적으로 분석하여 파악하려고 한다 6개 .898 .924 .962

비판 근거와 추론의 타당성과 신뢰성을 종합적으로 평가하여 주장 (결론)에 대한 입장을 제시 나는 자료/정보가 객관적 사실인지 또는 주관적 의견인지 구분해보는 편이다 5개 .899

과학적 탐구 과학적 탐구 방법을 적용하여 자료나 정보의 논리적⋅인과적 관계를 바탕으로 결론을 도출 나는 의문이 생기는 현상에 대해서 가설을 세워 검증한다 5개 .888

2015 개정 과학과 교육과정 역량 (하인수 외, 2018) 과학적 사고력 과학적 주장과 증거의 관계를 탐색하는 과정에서 필요한 사고 능력 나는 의견을 주장 할 때, 논리적 근거를 들어서 한다. 5개 .747 .932

과학적 탐구 능력 과학적 문제 해결을 위해 실험, 조사, 토론 등 다양한 방법으로 증거를 수집, 해석, 평가하여 새로운 과학 지식을 얻거나 의미를 구성해 가는 능력 나는 관찰이나 실험, 제작 등의 활동을 할 때, 필요한 도구를 잘 다룬다. 5개 .819

과학적 문제 해결력 과학적 지식과 과학적 사고를 활용하여 개인적 혹은 공적 문제를 해결하는 능력 나는 과학 관련 문제를 해결할 때, 과학적 지식을 잘 사용한다. 5개 .809

과학적 의사소통능력 과학적 문제 해결 과정과 결과를 공동체 내에서 공유하고 발전시키기 위해 자신의 생각을 주장하고 타인의 생각을 이해하며 조정하는 능력 나는 어떤 문제를 해결하는 과정을 친구에게 효율적으로 설명한다. 5개 .855

과학적 참여와 평생학습 과학기술의 사회적 문제에 대한 관심을 가지고 의사 결정 과정에 참여하며 새로운 과학기술 환경에 적응하기 위해 스스로 지속적으로 학습해 나가는 능력 나는 과학기술로 생기는 사회 문제와 그 해결 방안을 찾는 것에 관심이 많다. 5개 .807
A대학교에서 개발한 학습성과 외에 과학과 교육과정의 핵심역량 문항을 추가로 사용한 까닭은 A대학교 문항이 과학적 사고 및 추론에 초점을 맞추고 있다면, 2015 개정 과학과 교육과정 역량은 ‘과학적 의사소통능력’과 ‘과학적 참여와 평생학습’ 등 정의적 영역을 함께 평가하기 때문이다. 또한, 두 문항을 상호 비교함으로써 역량의 변화를 보다 분명하게 확인할 수 있을 것이라는 기대 때문이었다.

3.5. 분석방법

사전, 중간, 사후 역량 진단 검사와 진단평가, 중간고사, 기말고사, 퀴즈, 웹과제, 역량 기반 활동 점수 등 학업성취도 자료는 SPSS 23.0을 통해 분석되었다. 빈도분석, 기술통계분석, 대응표본 T검증, 독립표본 T검증 등이 수행되었다. 학기 종료 후 A대학교에서 실시한 수업만족도 조사 결과의 점수가 비교되었다.

4. 연구결과

4.1. <일반화학> 수업의 블렌디드 러닝 기반의 역량 중심 수업 운영

동일한 <일반화학> 분반에서 한 반은 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업(이하 실험군)이 이루어졌으며, 다른 한 반은 일반적인 강의식 수업(이하 대조군)이 대면으로 이루어졌다. 구체적인 수업의 구성은 <표 5>와 같다.
<표 5>
실험군과 대조군의 주제별 수업 운영 및 평가
구분 실험군 (블렌디드 러닝) 대조군 (일반 강의)
1차시 비대면 동영상 강의 (75분) • 주제별 동영상 (약 8~15분)
• 5-8개 수업
대면 강의 • 개념 설명


형성평가 (α분) • 참여 여부 확인
• 학습 결과 진단
문제 적용 활동 • 예제 문제 풀이 및 활동지

2차시 대면 요약 강의 (20~30분) • 주제 관련 보충 설명
• 20~30분
대면 강의 개념 설명


역량 기반 활동 (개인/팀) (45~55분) • 문제인식
• 자료 조사와 분석
• 팀 기반 토의 및 토론
• 논리적 추론과 결론 도출
문제 적용 활동 • 예제 문제 풀이 및 활동지

후속과제 • 웹과제(개인): 주제별 문제풀이
학습평가 • 진단검사, 중간고사, 기말고사, 1차/2차 퀴즈
역량진단 • 사전(1주차), 중간(7주차), 사후(15주차)
실험군은 기본적으로 매 주 1개의 대주제를 비대면 수업 1차시, 대면 수업 1차시의 블렌디드 러닝으로 구성하였다. 비대면 수업은 <일반화학>의 개념을 학생이 자기주도적으로 학습할 수 있도록 주제별 동영상 강의를 5분~15분 정도의 짧은 클립으로 개발하고, 75분의 수업시간에 맞게 각 차시에 5~8개 정도 학습하도록 하였다. 대면 수업 하루 전까지 동영상 강의 수강 후 학습결과를 확인할 수 있는 형성평가에 개별적으로 응시하도록 하고, 동영상 수강 여부와 형성평가 점수를 최종 성적에 반영하였다. 동영상 학습은 역량 활동을 위한 지적 토대가 되는 내용인 동시에 기초 과학 교육으로써 <일반화학> 수업을 수강하는 학생들이 꼭 알아야 하는 기본적인 내용으로 구성하여 강의식 수업과 동일한 범위의 학습을 유도하였다.
이어진 대면 수업의 초반에는 형성평가 점수를 참조하여 교수자가 개념 확인과 적용 맥락에 대해서 보충하는 요약 강의를 진행하였다. 이후 대면수업에서 대주제에 대한 역량 기반 활동을 진행하였다. 역량 기반 활동은 해당 주 비대면 수업의 주제와 연계되었으며, 역량기반 활동이 이루어지지 않는 경우는 지난 수업에서 다룬 역량 기반 활동의 결과를 공유하며 주요 활동들을 반추하는 시간을 가졌다.
대조군은 모두 대면 강의가 이루어졌으며 형성평가 방식의 문제 풀이와 적용 활동이 이루어졌다. 교재의 기본 구성에 맞추어 개념에 대해 이해하고, 식과 법칙을 사용해 교재의 예제 문제를 풀고, 이론을 적용하는 활동을 진행하고, 피드백을 제공하였다.
실험군과 대조군 모두 물질과 그 변화, 원자와 구조와 그 성질, 수용액에서의 반응, 물질의 상태, 화학 반응에서의 열역학적 변화, 양자론과 전자 구조, 원소의 주기성과 주기율표, 화학 결합, 용액의 성질, 유기화학 등의 총 12개의 대주제가 다루어졌으며, 학업성취도를 확인하기 위해 진단평가, 중간고사, 기말고사, 두 차례의 퀴즈에 참여하였다. 두 집단 모두 학습성과 향상을 위해 웹과제가 과제로 제시되었다. 또한 두 집단 모두 1주차, 7주차, 15주차에 동일한 검사도구로 역량진단검사가 이루어졌다.

4.2. <일반화학> 수업의 역량 기반 활동 설계

역량 기반 활동은 수업의 내용과 연계되어 설계되었다(<표 6> 참조). 전공 차원에서 설정한 이 수업의 역량은 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’이며, 관련된 핵심어는 분석, 비판, 과학적 탐구였다. 매 주차의 역량 기반 활동은 핵심어인 분석, 비판, 과학적 탐구와 연계되어 구성되었다.
<표 6>
<일반화학> 수업의 역량 기반 활동
역량 기반 활동 분류 횟수 역량 핵심어 활동 주제 역량 활동
과학적 문제해결 1 분석 • 세기 성질 밀도: 물질과 그 성질의 측정 • 개념 확인과 적용
• 팀 기반 토의와 토론
• 과정과 결과에 대한 반추

2 분석/과학적 탐구 • mol의 의미: 아보가드로 수의 결정과 계산 • 자료 조사와 분석
• 팀 기반 토의와 토론
• 과정과 결과에 대한 반추

3 분석/비판/ 과학적 탐구 • 강산과 강염기 적정 • 탐구의 설계와 수행
• 자료 조사와 분석
• 과정과 결과에 대한 반추

과학적 글쓰기 1 분석/비판/ 과학적 탐구 • 수소 에너지: 물질과 반응 • 탐구 문제 인식
• 자료 수집과 분석
• 자료 기반 글쓰기 (개인)

2 분석/비판/ 과학적 탐구 • 수소 에너지: 논제와 논거 결정 • 자료 조사와 분석
• 팀 기반 토의와 토론
• 논거가 되는 자료의 정리 및 설명 글쓰기 (팀)

3 분석/비판/ 과학적 탐구 • 수소 에너지: 논증적 글쓰기 • 자료 조사와 분석
• 팀 기반 토의와 토론
• 논리적 추론과 결론 도출
• 과정과 결과에 대한 반추
• 논증적 글쓰기 (팀)
전반부의 주제에서는 주로 과학적 문제 해결 중심의 역량 활동으로 진행하였으며, 후반부의 주제에서는 과학적 글쓰기의 역량 활동을 중심으로 진행하였다. 역량 기반 활동은 동영상 강의에서 다룬 모든 지식 내용을 다룰 수는 없으며, 학생이 꼭 알아야 하는 주요 개념과 연계되었다. 한 학기에 총 6회의 역량 기반 활동이 구성되었다. 중간고사 이전은 과학적 개념을 적용하고 확장하는 방식의 과학적 문제해결을 중심으로 3회차가 개발되었다. 실제 일반화학 실험의 데이터를 활용한 정량 자료의 의미를 이해하고 계산한 다음, 그 결과를 해석하는 등 강의에서 배운 주제와 관련하여 개념을 적용하고 확장해보도록 하였다. 수업 시간 중 모바일 기기 및 개인 컴퓨터를 사용하여 관련 자료를 검색하고 정리하도록 하였다. 산출물은 학생이 개별적으로 작성하지만, 관련 활동의 탐구 및 논의의 과정은 4명을 팀으로 구성하여 함께 하도록 하였다. 이 과정에서 학생들은 자신이 생각이나 수집한 자료를 팀원과 공유하고 토론하며 팀의 대표 결과물을 결정하여 제출하는 과정에 참여하였다.
중간고사 이후의 3회차는 과학 주제를 중심으로 자료에 기반하여 개별 또는 팀별로 과학적 글쓰기를 하도록 구성하였다. 대체 에너지로서의 화학의 실제적 활용을 주제로 팀별 글쓰기를 진행하기 위해 학생 개개인이 자료를 조사하고, 이를 팀으로 공유한 후 논제를 구성하고, 과학적으로 글을 쓰는 세 단계의 활동을 진행하였다. 먼저 수소에너지 등 물질의 반응과 관련하여 각 팀원이 자신의 흥미에 맞게 자료를 조사하고 정리하여 제출하였다. 다음으로 개별 제출물을 공유하며 팀 전체가 다룰 주제를 토론을 통해 결정하였다. 그 후 선정한 물질과 반응에 관한 정량 자료들을 분석 및 정리하고, 이를 토대로 대체 에너지로서의 활용에 관한 논제를 최종 결정하고 그를 뒷받침할 정량자료들을 정리하고 그에 관한 설명을 정리된 글로 제출하도록 하였다. 마지막으로, 팀별 토의 및 토론을 통해 선정한 논제에 관해 논증적 글쓰기 산출물을 작성하도록 하였다. 그 과정에서 학생들은 다양한 분석과 비판의 과정을 경험할 수 있다.

4.3. 과학 관련 역량 차이 비교

진단고사, 중간고사, 기말고사, 1⋅2차 퀴즈, 12회의 웹과제, 3회의 과학 역량 진단 검사에 모두 참여한 학생은 실험군은 23명(59.0%)이었으며, 대조군은 24명(57.1%)이었다. 표본의 수가 30 이하라 정규성을 검토한 결과 왜도의 절댓값이 2미만, 첨도의 절댓값이 7미만으로 정규성을 만족하는 것으로 판단되었다.
먼저 실험군과 대조군의 과학 역량 진단 검사 점수를 비교하면 <표 7>과 같다. A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량 진단 결과에는 집단 간 유의미한 차이는 없었지만, 2015 개정 과학과 교육과정 역량 진단 결과에서는 학기 중 과학적 사고력과 과학적 의사소통능력, 학기 말 과학적 탐구 능력의 경우 실험군이 대조군에 비해 통계적으로 유의미하게 높았다.
<표 7>
실험군과 대조군의 과학 역량 진단 검사 결과 비교
구분 실험군 (n=23) 대조군 (n=24) t 평균 차이


M SD M SD
A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량 분석 학기 초 3.78 0.797 3.42 0.865 1.479 0.36

학기 중 3.64 0.831 3.47 0.798 0.696 0.17

학기 말 3.72 0.800 3.38 0.673 1.552 0.34

비판 학기 초 3.83 0.980 3.82 0.877 0.035 0.01

학기 중 3.97 0.713 3.68 0.710 1.398 0.29

학기 말 4.06 0.803 3.64 0.678 1.920 0.42

과학적 탐구 학기 초 3.14 0.873 2.99 1.034 0.527 0.15

학기 중 3.11 0.748 2.98 0.762 0.589 0.13

학기 말 3.38 0.791 3.14 0.647 1.136 0.24

2015 개정 과학과 교육과정 역량 과학적 사고력 학기 초 3.62 0.703 3.47 0.699 0.737 0.15

학기 중 3.75 0.647 3.32 0.657 2.267* 0.43

학기 말 3.73 0.654 3.51 0.566 1.243 0.22

과학적 탐구 능력 학기 초 3.69 0.728 3.44 0.798 1.090 0.25

학기 중 3.57 0.679 3.33 0.704 1.148 0.24

학기 말 3.63 0.719 3.23 0.583 2.061* 0.40

과학적 문제 해결력 학기 초 3.74 0.720 3.67 0.895 0.296 0.07

학기 중 3.88 0.692 3.55 0.711 1.603 0.33

학기 말 3.79 0.691 3.49 0.630 1.554 0.30

과학적 의사소통능력 학기 초 3.37 0.924 3.17 0.932 0.733 0.20

학기 중 3.70 0.797 3.10 0.728 2.697* 0.60

학기 말 3.61 0.762 3.33 0.687 1.342 0.28

과학적 참여와 평생학습 학기 초 3.79 0.858 3.87 0.870 -0.299 -0.08

학기 중 3.79 0.790 3.73 0.640 0.317 0.06

학기 말 3.89 0.790 3.48 0.682 1.876 0.41

* p<.05, ** p<.01, *** p<0.001

두 집단의 과학 역량 진단 검사 점수가 학기 초-학기 중-학기 말이 될수록 어떻게 변화했는가를 살펴보기 위해 대응표본 T 검증을 실시하였다(<표 8> 참조). 그 결과, 실험군에서 A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량의 ‘과학적 탐구’, ‘2015 개정 과학과 교육과정 역량’의 ‘과학적 의사소통능력’ 역량은 역량 점수가 학기 초 대비 학기 말에 유의미하게 높아졌다. 반면 대조군에서 ‘2015 개정 과학과 교육과정 역량’의 ‘과학적 사고력’ 역량 점수가 학기 중보다 학기 말에 유의미하게 개선되었으나, 학기 초와 비교했을 때는 유의미하다고 보기 어려웠으며, ‘과학적 참여와 평생학습’ 역량 점수는 학기 초에 비해 학기 말에 유의미하게 낮아졌다.
<표 8>
실험군과 대조군의 학기 초-학기 중-학기 말 과학 역량 진단 검사 결과 비교
구분 M SD 학기 초-학기 중 학기 중-학기 말 학기 초-학기 말



t 평균차이 t 평균차이 t 평균차이
실험군 (n=23) A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량

분석 학기 초 3.78 0.797 -1.108 -0.14 0.834 0.08 -0.481 -0.06

학기 중 3.64 0.831

학기 말 3.72 0.800

비판 학기 초 3.83 0.980 0.848 0.14 1.309 0.09 1.514 0.23

학기 중 3.97 0.713

학기 말 4.06 0.803

과학적 탐구 학기 초 3.14 0.873 -0.261 -0.03 2.345* 0.27 2.349* 0.24

학기 중 3.11 0.748

학기 말 3.38 0.791

2015 개정 과학과 교육과정 역량

과학적 사고력 학기 초 3.62 0.703 1.271 0.13 -0.200 -0.02 1.443 0.11

학기 중 3.75 0.647

학기 말 3.73 0.654

과학적 탐구 능력 학기 초 3.69 0.728 -0.979 -0.12 0.662 0.06 -0.623 -0.06

학기 중 3.57 0.679

학기 말 3.63 0.719

과학적 문제 해결력 학기 초 3.74 0.720 1.500 0.14 -1.124 -0.09 0.419 0.05

학기 중 3.88 0.692

학기 말 3.79 0.691

과학적 의사소통능력 학기 초 3.37 0.924 2.732* 0.33 -0.750 -0.09 2.421* 0.24

학기 중 3.70 0.797

학기 말 3.61 0.762

과학적 참여와 평생학습 학기 초 3.79 0.858 0 0 0.841 0.10 0.781 0.10

학기 중 3.79 0.790

학기 말 3.89 0.790

대조군 (n=24) A대학교 ‘분석⋅추론⋅비판적 사고’ 역량

분석 학기 초 3.42 0.865 0.364 0.05 -0.671 -0.09 -0.199 -0.04

학기 중 3.47 0.798

학기 말 3.38 0.673

비판 학기 초 3.82 0.877 -0.772 -0.14 -0.303 -0.04 -0.940 -0.18

학기 중 3.68 0.710

학기 말 3.64 0.678

과학적 탐구 학기 초 2.99 1.034 -0.047 -0.01 1.482 0.16 0.928 0.15

학기 중 2.98 0.762

학기 말 3.14 0.647

2015 개정 과학과 교육과정 역량

과학적 사고력 학기 초 3.47 0.699 -1.244 -0.15 2.157* 0.19 0.346 0.04

학기 중 3.32 0.657

학기 말 3.51 0.566

과학적 탐구 능력 학기 초 3.44 0.798 -0.667 -0.11 -0.881 -0.10 -1.468 -0.21

학기 중 3.33 0.704

학기 말 3.23 0.583

과학적 문제 해결력 학기 초 3.67 0.895 -0.690 -0.12 -0.407 -0.06 -1.026 -0.18

학기 중 3.55 0.711

학기 말 3.49 0.630

과학적 의사소통능력 학기 초 3.17 0.932 -0.352 -0.07 1.722 0.23 0.772 0.16

학기 중 3.10 0.728

학기 말 3.33 0.687

과학적 참여와 평생학습 학기 초 3.87 0.870 -0.844 -0.14 -1.978 -0.25 -2.287* -0.39

학기 중 3.73 0.640

학기 말 3.48 0.682

* p<.05, ** p<0.01, *** p<0.001

역량 진단 검사가 학생의 자기 평가에 기초하긴 하였지만, 실험군은 ‘과학적 탐구’와 ‘과학적 의사소통능력’에서 긍정적으로 개선된 반면, 대조군은 ‘과학적 참여와 평생학습’ 역량이 저하되었다고 할 수 있다.

4.4. 학업성취도 비교

진단고사, 중간고사, 기말고사, 1⋅2차 퀴즈, 12회의 웹과제는 모두 <일반화학>의 내용 지식의 이해와 적용을 측정하는 것으로 한 학기의 <일반화학> 내용을 모두 포괄하고 있으며, 인지적 측면의 학업성취도를 확인하기 위해 개발되었다.
실험군과 대조군의 학업 성취도를 비교한 결과(<표 9> 참조), 진단평가, 중간고사, 기말고사, 1⋅2차 퀴즈 등에서 통계적으로 유의미한 차이는 없었으며, 개념 강의 후 진행되는 웹과제에서 2차, 4차의 경우만 유의미하게 대조군이 높았다. 그러나, 통계적 유의미성과 관련 없이 1차 퀴즈, 3차 웹과제, 12차 웹과제를 제외하고는 대조군의 점수가 수치적으로 높았다. 특히 진단평가에서는 두 집단 간 차이가 1점 미만으로 거의 없었으나, 중간고사 때는 4.97점, 기말고사에는 7.41점으로 그 격차가 벌어졌다. 퀴즈에서도 1차의 경우 실험군이 2.61점 높았으나, 2차에서는 오히려 대조군이 9.16점 높았다. 특히 중간고사 이후 역량 기반 활동에서 ‘수소에너지’와 같이 특정 주제에 집중해서 과학적 글쓰기를 진행하면서 포괄적 내용을 다룬 대조군과의 격차가 더 커진 것으로 생각된다.
<표 9>
실험군과 대조군의 학업 성취도 비교
구분 실험군 (n=23) 대조군 (n=24) t 평균 차이


M SD M SD
진단평가 38.70 15.167 39.58 13.981 -0.209 -0.89

중간고사 46.65 15.802 51.63 11.948 -1.220 -4.97

기말고사 39.67 22.855 47.08 17.328 -1.256 -7.41

퀴즈 1차 54.65 22.073 52.04 15.752 0.468 2.61

2차 49.13 23.732 58.29 22.524 -1.358 -9.16

웹과제 1차 10.00 2.316 10.04 2.510 -.059 -.042

2차 8.39 2.840 9.67 .761 -2.123* -1.275

3차 11.61 2.190 11.54 3.336 .081 .067

4차 9.83 3.725 11.04 2.349 -1.344 -1.216

5차 9.96 4.577 11.63 3.214 -1.451 -1.668

6차 6.17 4.858 8.58 4.221 -1.817 -2.409

7차 11.52 6.501 14.92 4.587 -2.076* -3.395

8차 10.22 3.261 11.67 2.988 -1.590 -1.449

9차 7.43 4.077 8.50 4.128 -.890 -1.065

10차 6.74 2.942 7.21 2.654 -.575 -.469

11차 7.48 5.080 8.17 4.914 -.472 -.688

12차 5.61 4.008 5.54 4.452 .054 .067

* p<.05, ** p<0.01, *** p<0.001

4.5. 수업만족도 비교

학기 종료 후 실험군과 대조군의 수업만족도 점수를 100점으로 환산하여 비교해본 결과(<표 10> 참조), 실험군은 90.4점, 대조군은 86.2점으로 실험군이 4.2점 높았다.
<표 10>
실험군과 대조군의 수업만족도 결과 비교
평가 영역 문항내용 100점 환산점수 점수 차이

실험군 대조군
수업 준비 수업계획서는 과목의 성격을 이해하고 수업준비에 도움이 되도록 구성되었다. 89.6 88.6 1.0

교수자의 강의준비는 충실하였다. 94.8 91.4 3.4

교수자는 주어진 수업 시간을 준수하여 충실히 활용하였다. 89.0 89.2 -0.2

소 계 91.2 89.8 1.4

수업 진행 및 내용 강의는 학문적인 흥미와 호기심을 갖도록 진행하였다. 85.8 81.2 4.6

수강생들을 존중하고 인격적으로 대하였다. 96.2 92.0 4.2

학생들의 질문을 적절히 수용하고 대답하였다. 95.4 90.8 4.6

수업내용이 체계적으로 구성되고 전개되었다. 89.0 85.2 3.8

교수자의 교수방법(강의, 토론, 시연 등)이 본 수업에 적절하였다. 91.6 85.2 6.4

소 계 91.6 86.4 5.2

과제 및 평가 과제는 수업내용을 적절히 보완하여 학습효과를 높이는데 도움이 되었다. 89.6 87.4 2.2

과제나 시험은 공지된 기준에 따라 적정하게 평가되었다. 89.6 97.4 -7.8

과제나 시험의 결과에 대한 피드백이 제공되었다. 90.4 82.8 7.6

소 계 89.8 88.0 1.8

강의식 강의자료는 적절하였으며 학습에 도움이 되었다. 89.0 84.0 5.0

교재 내용을 넘어 연구 및 현장 적용 사례, 역사적 조망 또는 최신 이론 등이 다루어졌다. 90.4 86.2 4.2

강의의 난이도 및 진행 속도는 적절하였다. 85.2 78.2 7.0

소 계 88.2 82.8 5.4

 전체 총합 90.4 86.2 4.2
총 14개의 문항 중에서 ‘교수자는 주어진 수업 시간을 준수하여 충실히 활용하였다’, ‘과제나 시험은 공지된 기준에 따라 적정하게 평가되었다’만 대조군이 실험군에 비해 점수가 높았다. 특히 ‘과제나 시험은 공지된 기준에 따라 적정하게 평가되었다.’의 점수는 대조군이 7.8점이나 높았는데, 이는 실험군에서 대면 수업을 대부분 역량 기반 활동으로 운영하였음에도 중간고사와 기말고사 등 시험은 기본 개념의 이해나 적용과 같이 인지적 측면에 초점을 맞춰 진행했기 때문이라 해석할 수 있다. 또한, 강의식 수업과 동일한 시험, 퀴즈, 웹과제에 더불어 역량 기반 활동에 대한 과제가 학생들에게 과도하다고 느껴질 수 있었을 것이다.
그 외 총 12개의 문항에서는 실험군이 대조군에 비해 수업만족도가 높았는데, ‘과제나 시험의 결과에 대한 피드백이 제공되었다(7.6점)’, ‘강의의 난이도 및 진행 속도는 적절하였다(7.0점)’, ‘교수자의 교수방법(강의, 토론, 시연 등)이 본 수업에 적절하였다(6.4점)’, ‘강의자료는 적절하였으며 학습에 도움이 되었다(5.0점)’ 등 4개 항목은 5점 이상의 큰 차이를 보였다. 이는 향후 기초 과학 수업에서도 학생들의 수준차나 흥미도가 더 크게 벌어질 것이라는 점을 예상했을 때, 의미있는 결과라 할 수 있다.

5. 논의 및 결론

대학의 기초 과학 교육은 이공계 신입생의 전공 진입을 위한 과학 지식과 방법론을 가르쳐야 함과 동시에 신입생의 대학 학습에 대한 적응을 돕고 자연과학에 대한 보편적인 이해와 과학적 역량 계발이라는 여러 목적을 지닌다. 최근 세계적으로 이공계 교육에서 의사소통, 사회적 책임과 윤리, 팀 스킬과 같은 보편적인 역량이 더욱 강조되고 있는 추세이다(이보경, 2023).
이 연구는 <일반화학> 과목을 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업으로 설계하고 일반 대면 강의식 수업과 함께 실험군과 대조군으로 한 학기 동안 운영한 후, 과학 역량, 학업성취도, 수업만족도의 변화와 차이를 비교하였다. 실험군과 대조군 모두 <일반화학> 과목에서 가르쳐야 하는 내용 지식을 대면 강의와 동영상 강의로 충실히 가르쳤으며, 실험군은 분석, 비판, 과학적 탐구 역량에 기반한 역량 활동에 참여하도록 구성하였다.
한 학기 동안 수업을 운영한 결과, 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업으로 설계한 실험군보다 전통적인 대면 강의식 수업으로 운영한 대조군에서 통계적으로 유의미한 정도는 아니지만 인지적 측면의 학업성취도가 높게 나타났다. 이는 실험군에서 동영상 강의를 8분~15분 형태의 짧은 모듈로 구성하여 학생의 집중력을 유지하도록 조정하고, 확인 문제 및 웹 과제를 통해 자기주도 학습을 유도하려고 노력했음에도, 교수자가 직접 관리하고 학습을 확인하는 대면 강의식 수업에 비해 더 높은 지식 습득과 이해를 유도하지는 못하였음을 의미한다. 이는 대학 미적분학 과목에서 블렌디드 러닝으로 학습한 분반이 면대면 수업 분반에 비해 통계적으로 유의미하지는 않지만 학업성취도가 높았던 김성옥(2016)의 연구와는 반대의 결과이다.
선행연구와 다른 결과가 나타난 까닭을 추론해 보면, 실험군에서는 특정 주제와 관련된 역량 기반 활동을 대면 수업에 추가했기에 학생의 학습 노력이 역량 기반 활동의 특정 주제에 집중되었기 때문이라 생각할 수 있다. 실제 학기 종료 후 실시된 수업만족도 조사에서 실험군이 유일하게 대조군보다 낮았던 항목은 ‘과제나 시험은 공지된 기준에 따라 적정하게 평가되었다’였다. 실험이 진행된 A 대학교의 기초 과학 과목은 교수자가 누구인지와 관계없이 공동으로 시험을 출제하여 평가하기 때문에, 대면 수업에서 역량 기반 활동에 참여한 실험군은 대면 수업의 내용과 시험의 내용이 일치하지 않아 평가가 공정하지 않았다고 생각할 수 있었다. 기초 과학 교육의 목표를 전공 교육을 받을 수 있는 지적인 준비로써 기초 지식 및 방법론 습득에 더 주안점을 둘 것인지, 이공계 학생으로서 갖춰야 하는 보편적인 과학적 사고력과 역량을 습득하는 데 더 주안점을 둘 것인지에 따라 학습 성취도의 평균이 낮은 것이 매우 중요한 문제일 수도 있고, 역량 기반 활동의 결과로 상쇄될 수 있는 문제일 수도 있다.
역량 차이에서는 학기 초에는 실험군과 대조군 간의 차이가 없었으나, 학기 중, 또는 학기 말에 ‘과학적 사고력’, ‘과학적 탐구 능력’, ‘과학적 의사소통능력’ 등에서 블렌디드 러닝 기반 역량 중심 수업을 운영한 실험군이 통계적으로 더 높은 점수를 보였다. 수업의 진행에 따라 역량이 어떻게 변화했는가를 비교했을 때, 실험군은 ‘과학적 탐구’ 역량과 ‘과학적 의사소통능력’이 개선되었다. 교수자가 의도적으로 진행한 역량 기반 활동은 과학적 사고력에 초점을 둔 것이었으나, 팀 간 상호작용을 적극적으로 유도하여 과학적 의견을 개진하고 이를 협력하여 수정하도록 유도한 결과, ‘과학적 의사소통능력’도 함께 성장한 것으로 보인다. 반면, 강의식 수업을 한 반에서는 학기 중에 비해 학기 말에 ‘과학적 사고력’이 개선되기는 하였지만 학기 초와 비교했을 때 유의미하지 않았고, ‘과학적 참여와 평생학습’에 대한 역량이 학기 초에 비해 유의미하게 낮아진 것으로 보아 전체적인 과학 관련 역량이 긍정적으로 변하였다고 보기는 어려웠다.
이공계 학생을 대상으로 하는 대학의 기초 과학 교과에서 일반적으로 ‘과학적 의사소통능력’과 ‘과학적 참여와 평생학습’은 중요한 목표로 고려되지 않았다. 그러나, 실험군에서 이 두 역량이 긍정적이었다는 점은 기술기반 사회를 살아갈 학생들이 과학에 대한 긍정적인 태도를 형성하고 일상의 과학적 담론에 참여하는 것을 용이하게 할 수 있다는 점에서 기초 과학 교육에서 큰 의미가 있다. 특히 역량 기반 활동을 포함함으로써 학습과 과제의 양이 증가하였음에도 수업만족도 조사 등에서 학생들은 이를 부정적으로 받아들이지 않았다. 오히려 교수자의 피드백, 수업 방법, 강의 자료 등에 대해 특히 긍정적으로 인식하고 있었다. 이는 실험군과 같이 블렌디드 러닝 형태의 역량 활동에 기반한 교과목에 대한 학생들의 수용이 긍정적임을 알 수 있다. 이는 블렌디드 러닝이 학생들의 학습지속 의향이나 자기조절능력에 긍정적인 영향(홍효정, 2017; 이헌수, 2019)을 준다고 보고한 선행연구와 일치한 결과이다.
과학 역량 중심 수업을 설계할 때 교수자가 가장 고려해야 하는 사항은 핵심적인 역량 기반 활동이 과학자의 탐구 활동과 유사해야 한다는 것이다. 주제나 방식이 전통적으로 과학분야에서 강조해왔던 것이 아니더라도, 과학 전문가와 같은 사고과정을 경험할 수 있도록 활동을 구성하는 것이 중요하다. 과학적 실험과 연구설계 등을 협력적으로 수행하는 과정에서 학생들은 다른 학생과 토론하고 상호작용하면서 과학적 추론능력과 문제해결력을 키울 수 있다. 그 과정에서 과학적 의사소통능력은 자연스럽게 배양되고 따라온다. 그리고 이를 통해 과학적 참여와 평생학습과 같은 과학자들의 사고와 가치를 배울 수 있다.
아울러 기초 과학 교육의 수업 설계에서 학생으로 하여금 수업 과정에서 산출물을 공유하고 검토하며 반추하도록 유도하는 것은 매우 중요하다. 학습관리시스템을 활용하거나, 수업 중 일부를 할애하여 학생의 산출물을 공유하고 반추하는 시간을 갖도록 함으로써 학생들은 과학적 탐구 활동의 의미를 되짚어보고, 역량 기반 활동에 더 주도적으로 참여할 수 있다. 따라서 사전에 수업을 계획할 때부터 이러한 기회가 주어지도록 역량 기반 활동을 설계할 필요가 있다.
이 연구는 동일한 기초 화학 과목을 서로 다른 형태로 운영하며 수업 설계 방법, 학습 성취도, 수업 만족도, 역량 변화 등을 비교했다는 점에서 대학 기초 과학 과목을 개선하려는 연구자들에게 유의미한 시사점을 줄 수 있다. 그러나, 특정 대학의 특정 학생들을 대상으로 했다는 점에서 다음과 같은 몇 가지 제한점도 있다. 실험군과 대조군 모두 최초 수강생이 40명 안팎이었음에도 모든 설문과 실험에 참여하여 분석된 학생은 60% 남짓이었다. 이에 학생들의 성적군이나 전공에 따라 면밀한 분석을 진행하기 어려웠다. 또한, 학업성취도와 역량 변화의 관계 등도 면밀하게 확인하기도 어려웠다. 이는 향후 후속 연구로 진행되길 기대한다.
포스트코로나 이후 대학의 교수학습 방법에 대한 변화 요구는 더욱 거세지고 있다. 학생들은 블렌디드 러닝에 익숙해져 있으며, 사회적으로 역량 교육에 대한 요구도 높아지고 있다. 이 연구는 이러한 교육 환경의 변화 속에서 교과 내용 지식과 과학 관련 역량을 모두 포함하는 새로운 <일반화학> 수업 방법을 제안하고 실험해보았다는 점에서 의미가 있다.

Notes

1) literacy는 일반적으로 ‘문해력’으로 해석된다. 이에 PISA 2015의 scientific literacy은 ‘과학적 문해력’이라 해석하였으나, 한국과학창의재단은 ‘과학적 소양(scientific literacy)’이라 표시하여 이를 그대로 사용한다.

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