대류 상자 실험을 통해 대류 순환 모형을 유추하지 못하는 학생들의 원인을 분석하여 대류 실험을 재설계하였다. 초기 형식적 조작기에 있는 학생들이지만 직접 보지 못한 자연 현상에 대해서는 유추하기가 어려우므로 자연 현상을 축소한 대류 상자를 개발하여 학생들의 과학적 이해도를 높일 수 있는 방법을 연구하였다. 기존 대류 상자 실험의 문제점을 개선하여 제작한 대류 상자를 통해 수업에 적용한 결과 학생들의 이해도가 크게 증가하였다. 바람의 이동 현상만을 관찰하는 것이 아니라 향을 여러 위치에서 넣어봄으로써 과학적 사고를 자극하고 직접 관찰할 수 있었다. 또한 자연 현상의 축소판에 가깝게 설계하여 학생들이 과학적 오개념을 갖지 않는다. 모둠원이 양방향에서 관찰함으로써 수업의 참여도가 높아졌다. 새로 개발된 대류상자는 기존 대류상자에 비하여 저렴한 비용으로 제작할 수 있으며, 선명한 대류 현상을 볼 수 있다.

본 연구의 목적은 예비 과학교사들이 중학교 과학 단원에 과학수업 모형과 탐구과정 요소를 적용하여 수업을 진행하는 과정에서 겪는 어려움을 분석하고 과학수업 전문성 향상을 위한 개선점을 찾는데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 우선, 과학수업모형과 관련된 기존의 문헌을 근거로 하여 예비 과학교사가 과학수업모형의 각 단계를 실제 수업에서 얼마나 잘 적용하는지를 평가 할 수 있는 수업 평가지를 개발하였다. 이를 활용하여 과학수업모형을 적용한 수업 전문성 분석 결과, 예비 과학교사들은 탐구학습모형에서 ‘가설설정 단계’, 순환학습모형에서는 ‘개념적용 단계’, POE모형에서는 ‘예측 단계에서 예측한 내용을 표현하는 것’과 ‘관찰 단계에서 수용적인 피드백을 제공하는 것’, 개념변화학습모형에서는 ‘생각의 변화 검토 단계’를 실제 수업에 적용하는데 가장 큰 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다. 또한 발견학습모형에서는 ‘자료 추가 제시 단계’에서, STS수업모형에서는 ‘탐색 단계와 실행 단계’에서 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다. 둘째, 탐구과정요소를 적용한 수업 전문성 분석 결과, 예비 과학 교사들은 기초탐구과정 요소인 ‘관찰’을 실제 수업에서 가장 많이 적용한 것으로 분석되었다. 그 다음으로 통합탐구과정 요소인 ‘문제인식’, ‘변인통제’, ‘자료해석’을 수업에 많이 적용하는 것으로 나타났다. 한편, 예비 과학교사와의 면담 결과 과학수업에 탐구과정요소를 적용하는데 있어서 어려움을 느끼는 가장 큰 원인은 각 탐구과정요소의 의미를 명확히 이해하고 있지 못하는데 있는 것으로 분석되었다.