지구과학 탐구 대상은 다른 학문의 탐구 대상과 달리 거대한 시 공간적 규모, 접근 불가능성, 통제 불가능성, 복잡성 등을 지니고 있다. 그렇기 때문에 지구과학의 탐구 대상을 실험실 내에서 실제 조작을 통해 탐구하는 것은 매우 어렵거나 심지어 불가능하다. 따라서 지구과학에서는 실제 조작을 하지 않고도 탐구를 할 수 있는 대안이 필요하다. 실제 조작을 하지 않고 탐구를 수행하는 대표적인 탐구인 사고실험으로부터 추론의 역할을 재조명하고 추론을 사용한기존의 탐구 수업 모형들의 특징을 조사하였다. 각 탐구 모형들을 지구과학에 적용하는데 있어서의 시사점을 살펴보고 이들을 바탕으로 지구과학적 현상의 탐구에 적합한 추론 중심 탐구수업 모형을 제안한다.

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.

본 연구의 목적은 천문영역에서 STAD 모형의 협동학습이 고등학생들의 학업 성취도와 과학적 태도에 미치는 영향을 밝히는데 있다. 본 연구의 또 다른 목적은 천문영역에 있어서 향상 점수에 근거한 협동 학습과 교사 주도로 수업이 이루어지는 전통적 학습 사이의 영향을 비교해 보는 것이다. 본 연구는 인천시 소재 일반계 고등학교 1학년 남학생 2개 반을 대상으로 하였다. 협동학습 집단의 학생들은 협동학습 방법으로 주당 4시간씩 4주 동안 수업을 받았다. 협동학습을 받는 동안에 학생들은 매주 ‘태양계 탐사와 별’ 단원에 대한 형성 평가를 받았다. 그 결과, 위의 두 가지 접근 방법은 학생들의 천문학적 지식에 있어서 상당히 다른 영향을 주었으며, 학생들이 전통적인 학습방법보다는 협동적인 학습방법에 보다 긍정적인 과학적 태도를 취하는 것을 보여주고 있다. 결론적으로 협동 학습은 천문학적 지식의 학습과 과학적 태도에 있어서 전통적인 학습보다 보다 효과적이고 긍정적인 것으로 나타났다.