이 연구의 목적은 지구과학 탐구에서 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달과정을 탐색하는 것이다. 이를 위해 과학 탐구 기능 발달과정 관련 문헌의 조사를 통해 ‘탐구 설계’, ‘자료 수집’, ‘자료 해석’, 그리고 ‘결론 도출’을 발달 변인으로 설정하고, 각각에 대한 가설적 학습발달과정(HLP)을 4개 수준으로 개발하였다. 또한, 통합 탐구 기능에 대한 학생들의 학습발달과정을 조사하기 위한 도구로 3가지 지구과학 탐구 과제를 개발하였는데, 이들은 학생들이 주어 진 문제 인식에서 출발하여 결론 도출에 이르기까지의 통합 탐구 기능을 포함하는 가설-연역적 탐구이다. 중학생, 고등 학생, 대학생 총 126명을 대상으로 각각 개발된 지구과학 탐구 과제를 수행하게 한 후 HLP를 토대로 개별 학생들의 통합 탐구 기능을 요소별로 평가하였다. 또한, 학생들의 평가 자료를 Rasch 모델에 적용하여 HLP에 대한 타당화 과정 을 거쳤다. 마지막으로, 분석 결과를 근거로 HLP를 수정 보완하여 경험적 학습발달과정을 개발하였다. 이 연구는 학생 들의 통합 탐구 기능의 발달에 영향을 주는 요인들을 규명함으로써 지구과학 탐구 수업에서 학생들의 통합 탐구 기능 을 효과적으로 향상시키기 위한 스캐폴딩 방안을 찾는데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 지구과학 탐구 수업에 대한 교사들의 PCK를 향상시키는데 필요한 시사점을 제공한다.

본 연구의 목적은 과학자의 가설-연역적 탐구과정에서 가설설정단계, 실험설계단계, 결과해석단계에서 귀추적 추론이 나타나는지를 확인하고, 각각의 단계에서의 귀추적 추론과정을 분석하기 위한 분석틀을 제안하는 데 목적이 있다. 이를 위해, 8명의 과학자들과의 심층면담을 통해 얻은 프로토콜을, 기존 문헌에서 추출한 귀추적 추론과정의 하위요소로 분석해 보았다. 그 결과, 과학자의 귀추적 추론이 세 단계 모두에서 나타나고 있어 기존요소에 의한 분석틀을 벗어난 새로운 분석틀이 요구되었다. 그 결과 과학자들과의 심층면담을 통해 탐구의 각 단계에서 나타나는 귀추적 추론 분석틀을 새롭게 개발하였다. 이 틀을 과학교육전문가로부터 타당성 확인 결과, 내용타당도 지수 0.90을 얻어 타당한 것으로 인정되었으며, 실제로 과학자의 탐구과정에서 나타나는 귀추적 추론과정을 분석한 결과 매우 적절한 것으로 확인되었다.

이 연구의 목적은 중등 학교 과학 실험 수업의 실태를 파악하기 위해 수업을 분석하는 것이다. 이를 위해 중등학교 과학 실험 수업을 세 범주로 분석하도록 개발된 분석 도구를 활용하였다. 이 분석 도구는 실험의 목적, 상호 작용, 탐구 과정 세 가지 영역에 20가지 평가 항목으로 구성되어 있으며, 4명의 과학 교육 전문가로부터 0.89의 타당도가 확보되었다. 수업 분석을 위하여 21차시의 실험 수업이 녹화되고 전사되었다. 전사된 프로토콜과 동영상을 바탕으로 실험 수업을 분석한 결과, 중등 학교 실험 수업은 실험 목적 측면에서 선언적 지식의 습득과 과학에 대한 태도의 향상에 집중되어 있었다. 상호 작용 측면은 교사의 발문이 학생들의 발산적 사고를 유도하지 못하고 있고 학생들에 의한 주도적인 실험 기회가 주어지는 대신 교사의 직접적 지도에 의해 실험 수업이 진행되고 있으며, 학생들의 토의 과정이 거의 나타나지 않는 등 상호 작용 I 수준으로 분석되었다. 탐구 과정은 학습 주제에 대한 현상 제시 및 문제 제기가 거의 관찰되지 않았다. 학생들의 가설 설정 활동이나 예상 활동도 대부분의 수업에서 관찰되지 않았으며, 실험 설계 부분은 활동지나 교사의 지시에 의해 주어지고 있었고, 학생들은 실험 결과 기록에만 집중되어 있어 탐구 과정 수준도 I 수준으로 나타났다.

본 연구는 과학 영재 프로그램을 개발하고 개선하는데 반영하고자 2002년도 서울 대학교 과학 영재 교육센터에서 운영된 과학 영재 프로그램의 각 주제에 제시된 학습 목표, 과학적 모형, 과학 탐구의 인지 과정을 분석하였다. 교육 목표와 과학적 모형, 탐구 활동의 세 요소들은 과학 교육 과정의 구성에 있어서 중요하다는 판단 아래 각 요소들이 제시된 정도를 파악한 후 이들의 수준이 영재 학생들의 인지적 요구를 충족시키는지에 초점을 두어 분석 결과를 해석하였다. 이에 따라 교육 목표의 인지 영역 중에서 상위 사고력 영역에 해당하는 종합 영역, 과학적 모형 중에서 상위수준의 추상성과 복잡성 모형인 다 개념-과정 모형, 과학 탐구의 인지 과정 중 창의성 영역에 해당하는 실험 설계의 인지 과정이 과학 영재 학생들을 가르치는 데 중요한 항목임을 전제하였다. 분석 결과 서울 대학교 과학 영재 프로그램의 각 주제에 제시된 교육 목표는 상위사고력 영역과 하위사고력 영역이 비슷한 비율로 나타나며, 그 중에서 종합 영역은 낮게 나타났다. 과학적 모형은 다 개념-과정 모형보다는 단일 개념 모형이 많았으며 추상성 수준은 중간 정도였다. 과학 탐구의 인지 과정은 실제 과학 탐구의 인지 과정을 고르게 다루지는 않았다. 특히 실험 설계의 인지 과정은 적게 다루고 있었다. 따라서 분석한 과학 영재 프로그램이 과학 영재들의 인지적 요구를 충족시키기 위해서는 종합 영역의 교육 목표, 다 개념-과정 모형, 실험 설계의 인지 능력을 더 많이 반영해야 한다.

이 연구는 국민공통기본교육과정 해양영역의 용어, 학습개념, 탐구를 대상으로 학습 연계성을 분석하였다. 분석 대상 교과서는 제 7 차 교육과정에 의해 집필된 초등학교 4학년, 중학교 7학년, 고등학교 10학년 과학교과서를 사용하였다. 용어의 사용 빈도는 초등학교에서 중 · 고등학교로 학교급이 올라가면서 증가하였으나, 용어의 해설은 고등학교로 갈수록 감소하였다. 학습개념은 초·중·고등학교에 관계없이 구체적 개념이 형식적 개념보다 많은 것으로 조사되었다. 탐구상황은 순수 과학적 상황이 초·중·고등학교 전 과정에서 통해서 가장 높았다. 탐구과정은 초등학교에서 중학교, 고등학교로 올라감에 따라 기본적 탐구과정에서 통합적 탐구과정의 비율이 증가하는 것으로 조사되었다. 탐구활동은 초·중·고등학교에서의 토의, 실험, 조사의 탐구활동이 많았으나, 고등학교에서는 견학 및 과제 연구가 전혀 제시되지 않았다. 이러한 결과에서, 기본 교육자료인 교과서에는 학교급에 상관없이 주요 용어에 대한 설명이 필요한 것으로 보인다. 또한, 학습개념과 탐구상황은 학생들의 인지발달과 과학·기술·사회와의 관계에서 전인적 학습이 가능하도록 할 필요가 있다. 특히, 지구과학교육에서 탐구활동은 야외학습을 통한 교육적인 효과가 크기에 적절한 적용이 요구된다.

이 연구의 목적은 공학적 설계와 과학 탐구 과정 기반의 STEM 교육 프로그램을 개발하고 적용하여 중학생의 STEM 영역에 대한 정의적 영역에 미치는 효과를 검증하는데 있다. 연구의 대상은 K시 소재의 Y 중학교 1학년 32명과 광역시 소재 K 중학교 2학년 25명, 3학년 30명으로 단일 집단 사전ㆍ사후 대응 표본 t-검증을 실시하였다. 이 연구에서 사용된 검사 도구는 STEM에 대한 태도를 측정하기 위하여 Mahoney(2009)가 개발한 검사지를 번역하고 수정ㆍ보완하여 사용하였다. 이 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 공학적 설계와 과학탐구과정 기반의 STEM 교육 프로그램은 문헌조사와 초ㆍ중등 교사들의 STEM 교육에 대한 인식 조사를 바탕으로 개발되었다. 개발된 프로그램은 '문제이해(A) - 설계(D) - 제작(B) - 평가(A)'의 문제해결과정의 네 단계로 이루어지며, STEM 관련 개념을 적용하고 흥미와 실생활 연계를 강조하고 있다. 둘째, 과학, 기술, 공학, 수학 중에서 과학에 대한 인식, 가치(중요성), 능력(자신감), 흥미(관심) 등이 높게 나타났으며, 상대적으로 기술과 공학에 대한 인식이 낮게 나타났다. 공학적 설계와 과학탐구과정 기반의 STEM 교육 프로그램은 중학생의 STEM 교과별로 인식, 능력, 가치, 흥미 상승에 효과적이었으며, STEM에 대한 태도를 향상시키는데 효과적이었다. 개발된 프로그램은 학교현장에서 활용될 수 있을 것이며, STEM / STEAM 교육이 학생들의 과학과 기술에 대한 이해와 수학과 과학에 대한 흥미를 높이고, 과학기술 기반의 융합적 사고와 문제해결을 배양하는 교육에 기여할 수 있을 것이다.

제 7차 교육과정이 발표된 초기, 특히 과학 교과에서는 새로운 교육과정에 대한 시각은 극과 극이었다. 학습자 중심, 생활 중심과 활동 중심의 목표가 잘 구현된 이상적인 교육과정이라는 소리도 있었으나, 탐구 중심에 치우친 나머지, 과학의 개념이나 본질을 간과 또는 무시되었다는 비판이 컸던 것도 사실이다. 그러나 새 교육과정은 예정대로 시행되었고, 이에 맞추어 정보와 과학의 시대답게, 탐구 중심과 활동 중심 수업에 대한 교수-학습 방법들이 등장하였다. 일단 새로운 교수-학습 방법들이 제 역할을 하기 위해서는 교사가 직접 현장에서 많이 활용하여야 한다. 그러나 교사가 새로운 교육과정을 이해하는 데 많은 시간과 노력, 연수 등이 필요하였듯이, 새로운 교수-학습 방법과 자료를 자신의 것으로 만들어 활용하는 데에도 많은 준비가 필요하다. 하지만 전(全) 과목을 가르쳐야 할 뿐 아니라 각종 업무와 생활 지도까지 전적으로 담당해야 하는 초등교사들에게는 교재 연구나 수업 준비에 절대적으로 시간이 부족하다는 말은 결코 과장이나 변명이 아니다. 수많은 연구에서 수많은 교수-학습 방법과 전략 또는 모형들이 개발되어 있다 해도 그 활용까지 이어지기 어려운 가장 큰 이유가 바로 이것이다. 활용이 쉽도록 잘 개발된 자료나 간편한 교수-학습 방법이 절실하다(권난주, 2005). 그러므로, 이러한 현장의 특성을 반영하면, 학습 모형이나 전략 등 무형(無形)으로 개발된 이론과 방법들보다는 책자나 파일로 제공되는 유형(有形)의 자료를 활용하는 교수-학습 방법이 훨씬 현실적인 도움이 될 것이다. 그러나 실제로 ‘매년’ 각 시도 교육청과 교육과학연구원을 비롯한 기관 및 단체에서 학교에 보급하는 자료가 50여종이 넘는다. 게다가 각종 교사 자료전의 출품 또는 입상작, 소프트웨어 공모전의 응모 또는 입상작을 포함하고, 과학 교과 내용과 관련된 인터넷 사이트나 교사용, 학생용 학습 사이트까지 본다고 하면, 우리는 실제로 자료의 바다 속에 있다고 해도 과언이 아니다. 과학교육을 담당하는 학자나 교사들은 이 바다 속에서 진주를 찾아내야 하는 것이다. 본 연구에서는 수많은 자료 중에서 좋은 자료를 추출해야 하는 현장의 이러한 숙제를 해결한다는 취지에서, 접근과 활용이 용이한 교수-학습 자료를 두 가지 선정하여 소개 ․ 기술하고자 한다. 이들 자료 및 방법은 전국 또는 지역 단위로 개발 ․ 보급된 것으로, 현재 초등학교 과학과 교육에서 획기적이면서도 성과가 좋은 자료 활용 교수 방법으로 주목받고 있는 것이다. 이 중 하나는 국가에서 지원 ․ 개발하여 전국의 모든 초등학교에 보급한 ‘탐구수업 지도자료’의 활용이며, 나머지 하나는 지역 교육청이 지원하여 개발 ․ 보급한 ‘과학완구 활용 교수-학습’ 방법이다.