Journal Information
Journal ID (publisher-id): chemical
Title: 대한화학회지
Translated Title (en): Journal of the Korean Chemical Society
ISSN (print): 1017-2548
ISSN (electronic): 2234-8530
Publisher: 대한화학회Korean Chemical Society
서 론▼
국가 수준 교육과정은 우리나라의 학생들이 학교 교육을 통해 성취하기를 기대하는 기준을 제시하는 문서로, 각 학교에서 편성하여 운영해야 하는 교과 및 수업 시수, 교수학습 내용 등을 제시한다. 2022 개정 교육과정의 고시 이후로 학년에 따라 2015 개정 교육과정 또는 2022 개정 교육과정이 적용되고 있는 현재, 두 교육과정 모두 역량을 강조하고 있다는 점은 일맥상통하고 있다고 볼 수 있다.1,2 2015 개정 교육과정 이후로 과학과 교육과정은 핵심개념 또는 핵심 아이디어를 중심으로 학습해야 하는 내용을 구조화하고 있으며, 각 내용들 간의 유기적 연계가 수직적, 수평적으로 이루어질 수 있도록 강조하고 있다. 이에 따라 학습을 지속적으로 연계할 수 있도록 학생들의 이해와 성취를 점검하고, 이를 다음의 학습으로 연결시키기 위한 노력이 필요하다고 볼 수 있다. 즉, 학생들의 교육과정 상의 내용 요소, 성취기준에 대한 이해를 확인하는 것은 교육과정 운영의 측면에서 매우 중요하다.
학업성취도 평가는 우리나라 학생들의 교육과정에 대한 성취의 특성을 점검하기 위한 목적에서 시행되고 있다. 학업성취도 평가는 현재 국가수준 학업성취도 평가와 맞춤형 학업성취도 자율평가의 두 가지로 구분되어 시행이 이루어지는데,3 이중에서 국가수준 학업성취도 평가는 2000년에 도입되어 우리나라 학생들 전반의 성취 특성을 파악하기 위한 목적에서 시행되고 있다. 현재의 국가수준 학업성취도 평가에서 과학과는 중학교 3학년을 대상으로 하는데, 2010년까지는 초등학교 6학년 학생도 대상으로 포함하였으나, 정책의 변화에 따라 대상 학년의 변경이 이루어지면서, 그 이후로 초등학생 대상 국가수준 학업성취도 평가는 시행되지 않았다.
한편, 맞춤형 학업성취도 자율평가(이하 자율평가)는 2022년에 도입되었는데, 각 학교에서 개별적으로 신청하여 학기 초에 전년도 교수학습 내용에 대한 학생들의 성취특성을 진단하고 교수학습에 활용할 수 있는 결과 제공을 목적으로 한다.3 자율평가에서 과학과는 초등학교 3학년에서 중학교 3학년까지의 교육과정 내용을 평가 범위로 하여 초4에서 고1까지를 대상으로 시행하며, 각 학년별로 다른 검사를 제공하고 있다. 그리고 2022년부터 학업성취도 평가에 컴퓨터 기반 평가 체제가 도입됨에 따라 자율평가의 경우에도 컴퓨터 기반 평가 체제로 시행이 이루어지고 있다. 이에 따라 기존의 지필평가에 비해 다양한 응답 방식과 상대적으로 동적인 형태의 자료로 구성된 문항들을 활용해 검사를 구성하고 있으며, 보다 상세한 학생 응답의 분석과 성취 특성 파악이 가능해졌다.4 이러한 일련의 변화는 초등학생들의 교육과정에 대한 이해를 살필 기회가 생겼음을 의미한다.
이러한 맥락에서 본 연구는 우리나라 초등학교 6학년 학생들의 국가 수준 교육과정에 제시된 화학 내용에 대한 이해를 살펴보고자 한다. 구체적으로는 초등학교 5~6학년군에 제시되는 ‘산과 염기’, ‘여러 가지 기체’의 두 단원에 포함되는 성취기준에서 출제된 문항을 통해 두 단원의 내용들과 과학과 핵심역량을 중심으로 성취 특성을 살펴보았다. 지난 2010년 이후 국가 단위의 대단위 평가를 통해 초등학생들의 성취 특성을 살펴보는 것이 제한적이었음을 고려하면, 교육과정의 운영에 대한 측면에서 시사점을 제공할 수 있을 것으로 보인다.
제한적이나마 지난 2010년 이후로 우리나라 초등학생들의 전반적인 성취를 살펴볼 수 있는 기회로는 대표적인 국제 비교 연구인 수학·과학 성취도 추이변화 국제비교 연구(Trends in International Mathematics and Science Study; 이하 TIMSS)를 들 수 있다. 초등학교 4학년 학생들이 평가의 참여자인 가운데, 평가 결과 및 추이에 대한 분석이나 TIMSS 평가틀과 우리나라 교육과정과의 비교 등을 통해 우리나라 교육에 대한 시사점을 제공해 왔다.5-7 비교적 최근의 결과인 TIMSS 2019, TIMSS 2023까지의 결과에 따르면, 우리나라 초등학교 4학년 학생들의 과학 및 물상과학에 대한 성취는 전세계적 관점에서 보았을 때, 대체로 최상위 수준에 해당한다.6,7 다만, 우리나라의 교육과정과 평가 범위, 대상 학년이 다소 일치하지 않는 부분이 있어,5 결과 해석에 유의할 필요가 있으며, 우리나라 교육과정에 따른 평가에 따른 결과를 볼 필요도 있다.
이 연구가 관심을 두는 2015 개정 교육과정 초등학교 5~6학년군에서 학습하는 내용들에 대한 학생들의 성취를 전반적으로 파악하는 연구는 그리 많지 않다. 많은 수의 연구들이 다양한 교수학습 활동을 통해 학생들의 이해가 어떻게 증진되었는지 살펴본 가운데, 일부 연구들의 결과로부터 화학에 대한 이해를 살펴볼 수 있다. 각 연구의 결과를 보면, ‘여러 가지 기체’단원에서 학습하는 내용 중, 기체의 압력과 관련된 내용에 대한 이해도가 여러 가지 기체의 성질이나 공기에 대한 이해도에 비해 다소 낮은 결과가 보고되었다.8 2007 교육과정 적용 시기에 이루어진 조사에서는 식초와 같이 일상에서 접하기 쉬운 물질과 수산화 나트륨 수용액, 염산과 같이 실험실 상황에서 접할 수 있는 물질에 대해 6학년 학생들의 이해가 다름을 보고하기도 하였다.9 한편, 초등학교 3학년에서 6학년 학생까지 화학에 대한 이해의 기반이 되는 개념인 물질에 대한 이해를 살펴보고, 학년에 따라 적절한 이해를 갖는 비율이 증가하면서도 추가적인 교수학습이 필요한 부분을 강조하는 연구도 있었다.10 이와 같이 초등학생들의 화학에 대한 이해를 탐색하기 위한 연구들이 이루어지고 있지만, 상술하였듯 그 수가 많지 않으며, 교육과정에 기반하여 학생들의 이해를 탐색하는 노력이 앞으로 더해질 필요가 있다. 특히, 기체, 산, 염기와 같은 개념은 초등학교 및 중·고등학교의 화학 교육과정에서 중요한 연계의 역할을 하고 있음을 고려할 때,11 이 연구가 초점을 두는 교육과정 내용에 대한 학생 성취 특성 파악의 중요성은 더욱 높아진다.
한편, 2015 개정 교육과정의 특징은 핵심역량의 함양을 강조한다는 점이다. 자율평가는 컴퓨터 기반 평가 체제를 활용하기 때문에 다양한 방식으로 응답을 요구할 수 있으며,4 문항의 자료 형태도 다변화가 이루어져 응답 결과로 부터 학생들의 역량에 대한 특성도 보다 상세히 살펴볼 수 있을 것으로 기대된다. A Framework for K-12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas12에서 강조하는 바와 같이 과학적 지식과 탐구를 통합적으로 바라볼 필요가 있음을 고려하면, 학생들이 문항에 대한 응답으로부터 어떠한 탐구 기능들이 다소 미흡한지를 살펴보고 이를 역량과 관계시키는 분석도 필요하다. 우리나라 초등학생들의 역량에 대한 연구들에 따르면, 실험수행 과정 자체에서 많은 어려움을 겪는다고 보고하는 가운데,13-15 분류와 같은 기초 탐구 능력에 대한 능력 함양이 필요하다는 결과도 제시되고 있다.16 이러한 배경을 바탕으로 본 연구가 대상으로 하는 문항의 해결 과정에서 필요로 하는 탐구 기능을 중심으로 초등학생의 역량에 대한 특성도 분석하고자 한다.
종합하면, 이 연구는 ‘산과 염기’, ‘여러 가지 기체’ 단원에 대한 초등학교 6학년 학생들의 성취 특성을 분석하였다. 2022년 1학기 종료 시점에 실시된 맞춤형 학업성취도 자율평가 예비검사의 결과를 문항별로 분석하여 성취 특성을 파악하였다. 자율평가는 우리나라 학생들을 대표할 수 있는 결과를 바탕으로 평가 결과를 제공하도록 설계되어 있기 때문에 이 연구의 결과는 제한적이나마 우리나라 학생들의 전반적인 특성을 살펴볼 수 있을 것으로 생각된다. 분석결과를 토대로 초등학교 6학년 학생들의 화학에 대한 이해를 구체적으로 파악함으로써 교육과정 및 교수학습에 대한 시사점을 도출하는 것에 본 연구의 목적을 두었다.
연구 방법▼
분석 대상
본 연구에서 초등학교 6학년 학생들의 ‘산과 염기’, ‘여러 가지 기체’ 단원에 대한 이해를 살펴보기 위해 사용한 자료는 맞춤형 학업성취도 자율평가의 예비검사에서 수집한 8개 문항에 대한 학생들의 응답 결과이다. 2015 개정 교육과정에 따라 출제된 이 문항들은 각각 5학년 2학기와 6학년 1학기에 학습하는 내용들이다. 이 문항들이 포함된 맞춤형 학업성취도 자율평가 검사는 교과별로 총 4종의 서로 다른 검사를 구성하여 시행하고, 각 검사는 공통 문항과 비공통 문항을 포함하는 형태로 구성된다. 예비검사에서 각 종별 검사는 22개 문항으로 구성되고, 이 중에서 화학 문항은 각 종별로 6개 문항이 포함되어 있었다. 즉, 한 검사에서 한 명의 학생은 6개의 화학 문항을 풀도록 검사를 구성하고 있다. 분석 대상이 되는 문항들의 정보는 Table 1에 제시하였다.2)
Table1.
Information of analyzed items
한편, 본 연구에서 분석하는 문항들의 평가 결과는 학업성취도 평가의 분할점수를 산출하고 평가결과표를 제작하기 위한 목적에서 실시하는 예비검사의 결과이다. 예비검사는 전국의 학교들을 체계적 절차에 따라 표집하여 실시하는데, 분석 대상이 포함된 예비검사는 2022년 7월 초등학교 6학년 학생들을 대상으로 실시하였다. 과학과 예비검사에 참여한 학생들의 수는 총 2,747명이었다.
자율평가는 국가수준 학업성취도 평가와 같이 학생들의 평가 결과를 성취도 점수를 기반으로 산출하여 제공하고 있다. 성취도 점수는 학생들의 원점수를 척도 점수로 변환한 값으로, 2015 개정 교육과정에 따른 학업성취도 평가에서는 평균 150점, 표준편차 15점에 따라 100점에서 200점 사이로 변환한 것이다. 그리고 학생들의 성취수준은 4~1수준으로 구분하는데, 4수준이 가장 높은 수준이고, 1수준이 가장 낮은 수준에 해당한다. 성취수준은 수정된 Angoff 방법을 활용해 수준 간 분할점수를 산출하여 결정하는데, 척도 점수를 기반으로 전문가들의 논의를 통해 분할점수를 확정한다. 이러한 방식으로 산출한 성취도 점수와 성취수준을 활용해 각 수준별 학생들의 응답 특성을 세부적으로 확인하였다.
앞선 설명과 같이 시행된 예비검사 평가 결과는 Table 2에 제시하였다. 평가 결과에 따르면, 8개 문항에 대한 평균 정답률은 59.0%로 나타났고, 각 성취수준별 정답률은 4수준부터 1수준까지 각각 80.8%, 64.0%, 40.7%, 13.4%로 나타났다.
분석 방법
우리나라 초등학교 6학년 학생들의 ‘산과 염기’, ‘여러 가지 기체’ 단원에 대한 성취 특성을 살펴보기 위해 문항 단위의 분석을 실시하였다. 우선, 문항 단위로 전체 정답률과 성취수준 집단별 정답률을 분석하였는데, 문항 단위의 분석이 중요한 까닭은 각 문항의 난이도에 차이가 있으며, 이에 문항들 전반의 평균적인 정답률은 해석에 유의할 필요가 있기 때문이다. 각 문항별 정답률이 의미하는 바에 대해서는 연구진과 함께 과학교육 전문가 1인, 현직 초등학교 교사 4인이 협의회를 통해 논의하였다.
문항별 정답률에 대한 분석에 더해 학생들의 답지 반응을 분석하여 오답을 응답한 학생들의 성취 특성을 세부적으로 제시하였다. 컴퓨터 기반 평가의 도입 이후, 선택형 문항에서도 지필평가 시기의 5지 선다형에 비해 보다 다양한 방식의 응답이 가능해졌기 때문에,4 이를 반영하여 학생들의 응답을 서답형 문항의 응답 분류 방식과 유사하게 유형화하였다. 구체적으로는 Fig. 1의 절차로 진행하였다. 우선 문항별 학생들의 응답을 종류별로 전문가들의 문항해석을 통해 유형으로 분류하였다. 이때 정답을 제외한 다른 응답들은 오답으로 응답한 이유를 중심으로 구분하였다, 이 과정에는 현직 초등학교 교사 5인이 참여하였다. 각 교사들은 독립적으로 문항과 응답을 모두 살펴보고 개별적인 의견을 작성하였고, 연구진이 추후 이를 종합하였다.
각 문항별로 학생들의 응답을 분석한 이후, 전체 문항에서 산출한 응답의 코드들을 유목화하였다. 학생들의 오답 응답의 이유를 내용 요소에 대한 이해, 탐구 능력과 같은 과학적 역량의 차원에서 유목화하였고, 과학교육 전문가 4인의 논의를 통해 공통 코드를 CA, PU, MC, IC, NU의 5가지로 Table 3과 같이 산출하였다. 이어 앞서 현직 초등학교 교사가 작성한 유형 분류에 대해 연구진이 코드를 부여하였다. 각 문항에 대한 응답 유형은 Table 3의 다섯가지가 모두 나타나는 경우도 있으나, 일부 문항에서는 특정 코드를 부여하기 어려운 경우도 있었다. 그리고 하나의 문항에서 동일한 분류 코드로 적용되나 응답의 특성이나 내용의 구분이 필요한 경우도 있어, 이 경우에는 별도의 연번을 부여하였다.
Table3.
The code for categorizing types of responses
이러한 절차에 따라 학생들의 응답을 분류한 이후에는 개별 학생들의 성취도 점수와 응답 유형에 따른 분포를 선행연구의 방식을 토대로 하여 답지 반응률 분포 곡선을 작성하고,17 앞선 전문가들의 논의 결과를 더해 그 의미를 해석하였다.
연구 결과▼
‘산과 염기’ 단원에 대한 성취 특성
‘산과 염기’ 단원은 물질의 성질과 관련하여 학습하는 내용으로, 2015 개정 교육과정에서는 물질은 고유의 성질을 갖고 있음을 설명하기 위한 내용으로 구성된다. 일반적으로 5학년 2학기에 학습하도록 설계되어 있으며, 4개의 성취기준으로 구성된 단원이다. 이 중에서 본 연구에서 대상으로 한 평가 문항에 포함된 성취기준은 두 가지로, 지시약을 활용한 산성 용액과 염기성 용액의 분류를 다루는 [6과 08-02]와 산성 용액과 염기성 용액의 성질을 비교하고, 섞었을 때의 변화를 다루는 [6과 08-03]이다. 성취기준별로 각각 2개의 문항이 분석 대상에 해당하였다.
먼저, 성취기준 [6과 08-02]에 해당하는 문항1과 문항2의 평가 결과는 각각 Table 4와 Table 5에 제시하였다. 문항 1은 서로 다른 지시약에 따른 여러 물질들의 색 변화를 표로 제시하고, 이 표를 해석해 지시약을 구분하고, 물질들을 분류할 수 있는지 평가하였다. 지시약의 종류를 알고 있는지 묻기보다, 지시약이 용액을 분류하는 데 사용될 수 있음을 물어보는 형태였다. 즉, 이 문항을 해결하기 위해서는 여러 자료를 종합할 수 있는 능력이 필요하였다. Table 4에 제시한 결과에 따르면, 약 74.53%의 학생들은 정답을 선택하였으나, 일부 학생들은 표에서 특정 정보를 누락, 것(IC2)으로 나타났다. 예를 들어 IC1는 표에 제시된 색변화 정보를 반대로 해석한 경우에 해당했으며, IC2에 해당하는 학생들은 표에 제시된 2개 이상의 자료를 종합한 서술에 대한 진위 판단에 어려움을 겪는 경우에 해당했다. 결과에 따르면, IC1에 해당하는 학생들의 비율은 1수준으로 갈수록 대체로 증가하는 경향을 보였고, 2수준 학생들은 IC2에 해당하는 비율이 상대적으로 높게 나타났다.
한편 문항1과 같은 성취기준에 해당하는 문항2는 산성물질과 염기성 물질로 분류한 결과를 보여주고, 분류에 사용할 수 있는 기준을 묻는 형태로 구성되었다. 이 문항을 해결하기 위해서는 개별 지시약들이 각각 산성과 염기성에서 어떠한 색 변화를 보이는지 기억해야 함과 동시에, 개별 물질들의 특성인 액성을 기억해야 한다. 결과에 따르면 약 34.87%의 학생들이 정답을 선택한 가운데, 4수준의 학생들에서만 50% 이상의 정답률을 보였다. 오답의 유형을 살피면, 특정 지시약이 산성 또는 염기성 용액의 색을 어떻게 변화시키는지 이해가 부족하거나(MC1), 개별 물질들의 액성, 색상 등의 특성에 대한 이해가 부족한 경우(MC2)의 비율도 높게 나타났다. 특히 MC2에 속하는 학생들은 묽은 염산과 같은 물질 뿐만 아니라, 식초, 세정제 등 우리 주변 물질의 액성을 개별적으로 기억하지 못하는 경우에 해당한다. 답지 반응 분포에 따르면, MC1에 해당하는 응답은 3수준에서 크게 높아지는 경향을 보였고, MC2에 해당하는 응답은 1수준으로 갈수록 증가하는 경향을 보인다. 이 경향에 따르면 학생들은 개별 물질들에 대하여 이해하고, 지시약의 종류들을 이해하는 순서로 나아간다고 볼 수 있다. 즉, 본 문항의 결과에서는 개별 지시약들을 이해하는 것이 상대적으로 더 어려운 이해를 요구하는 것으로 볼 수 있다. 문항1과 2의 결과를 종합하면, 학생들은 분류와 관련된 능력은 어느 정도 갖추고 있으나, 산성 용액과 염기성 용액의 분류를 위해 필요한 개별적인 지식을 기억하고 활용하는데 어려움이 있는 것으로 해석할 수 있었다.
성취기준 [6과08-03]에 해당하는 문항은 두 개가 있었으며, 이 두 문항은 하나의 자료를 공유해서 연속적인 질문에 답을 하는 형태인 문항들이다. 구체적으로는 산성용액의 특성인 대리석과의 반응을 활용해 물질을 구분하는 실험 설계 과정을 제시한 문항들로, 우선 문항3에서는 산성 용액의 특성을 확인하기 위한 가설에 따른 실험을 설계할 때 조작 변인을 옳게 고를 수 있는지 평가하였고, 문항4에서는 산성 용액의 특성을 설명하기 위한 실험에서 조작 변인과 통제 변인을 구분하여 대조군을 옳게 설정할 수 있는지 평가하였다. 문항3의 결과에 따르면 약 81.58%의 학생이 정답을 선택하였고, 3수준 및 2수준 학생들에서도 많은 학생이 정답을 응답하였다. Table 6에 제시한 주요 응답 유형을 살피면. 오답의 유형으로는 조작 변인과 통제 변인을 구분하는 능력이 떨어져서 나타난 응답인 IC, 문항에 제시된 용액이 산성인지 또는 염기성인지 기억하지 못한 응답인 MC가 나타난 가운데, MC에 해당하는 응답비율이 상대적으로 IC보다 높게 나타났다. 대체로 1수준과 2수준 학생들에서 MC에 해당하는 응답비율이 높았던 가운데, 2수준에서도 정답을 선택한 비율이 70% 수준에 근접해 명시적으로 가설이 제공된 상황에서 조작 변인을 고르는 것은 대체로 많은 학생들이 능숙하게 할 수 있는 것으로 보인다.
앞선 문항3과 연결된 문항4에서는 다른 특징이 나타났다. 이 문항은 앞서 언급한 바와 같이 산성 용액의 성질을 확인하기 위한 실험 구성에서 조작 변인과 통제 변인을 모두 고려해 대조군까지 설정할 수 있는지를 평가하였는데, 전체 정답률이 약 50.56%로 나타나 문항3에 비해 낮음을 확인할 수 있다. Table 7에 제시한 바와 같이 오답의 유형도 매우 다양하였는데, 변인의 통제와 관련하여 통제 변인설정 능력의 부족(IC1), 조작 변인과 통제 변인의 구분 능력의 부족(IC2), 실험에서 대조군을 배치하는 능력의 부족(IC3)과 같이 과학적 탐구 능력이 다소 부족한 경우가 있었다. 그리고, 산성 용액과 염기성 용액이 각각 어떠한 성질을 갖는지에 대한 이해가 부족하여 나타난 응답(PU1, PU2)도 나타나고 있었다. 두드러졌던 응답은 2수준과 3수준에서 높은 비율을 보인 IC1에 해당하는데, 산성 용액의 성질을 확인하기 위해 사용해야 하는 실험에서 산성 또는 염기성 물질과 반응시킬 반응물을 통제하지 못하는 응답들이 이에 해당하였다. 특히, 이러한 유형은 산성 물질 또는 염기성 물질 중 일부만 이해하는 경우와 결부된 응답들(PU1+IC1, PU2+IC1)에서도 나타나고 있으며, 3수준 이하에서 이러한 응답의 비율이 50% 이상인 것으로 나타났다. 본 문항의 결과는 물질에 따라 산성 물질인지, 염기성 물질인지 기억하는 것을 넘어 실험에서 이러한 지식을 활용하여 변인을 통제하는 상황에 연계시키는 것의 어려움을 보여주고 있다. IC2 유형은 조작 변인과 통제 변인을 구분하는데 어려움이 있음을 드러낸 경우로 문항3의 IC 유형과 동일한 특성에 해당했고, 상대적으로 IC1에 비해서는 응답 비율이 낮게 나타났다. 이 두 문항의 평가 결과를 종합하면, 실험의 설계에서 조작 변인은 명시적으로 드러나기 때문에 파악하고 이해하는 것이 상대적으로 용이하나, 변인의 통제와 이를 고려한 대조군 설정까지 이어지는 통합 탐구 기능을 충분히 습득한 학생의 수는 상대적으로 적은 것으로 볼 수 있다.
‘여러 가지 기체’ 단원에 대한 성취 특성
‘여러 가지 기체’ 단원은 물질의 성질과 관련하여 학습하는 내용으로, 2015 개정 교육과정에서는 물질의 상태와 관련하여 기체에 대한 부분을 다루며, 물질의 성질과 관련한 설명을 위해 공기를 다루고 있다. 일반적으로 6학년 1학기에 학습하도록 설계되어 있으며, 3개의 성취기준으로 구성된 단원이다. 본 연구에서는 3개의 성취기준에 해당하는 문항이 모두 포함되었고, 총 4개 문항이 분석 대상에 해당한다.
우선 성취기준 [6과10-01]에 대한 이해를 평가한 문항5는 이산화 탄소를 발생시키는 실험 장치의 구성을 알고 있는지 평가하는 문항으로, 실험 장치의 구성 장면에서 특정 초자에 넣는 반응물이 무엇인지 작성하도록 요구한 단답형 문항이다. Table 8에 제시한 결과와 같이 이 문항에 대한 정답률은 약 12.05%로 분석 대상 문항 중 가장 낮은 정답률을 보였다. 오답의 유형은 크게 세 가지로 구분할 수 있었는데, 이산화 탄소 발생 실험 장치에 대한 이해가 부족해 문항에서 묻는 반응물이 아닌 다른 반응물을 쓴 경우인 IC가 첫 번째 유형에 해당했고, 이 비율은 전 수준에서 그리 높지 않게 나타났다. 오답 유형 중, 상대적으로 높은 비율에 해당하는 응답은 MC1으로 산소 발생 실험에서 사용하는 반응물을 작성한 경우이다. 이 유형은 4수준에서도 상대적으로 높은 비율로 나타났다. 그리고, 반응물과 생성물을 혼동하여 이산화 탄소를 답으로 작성한 유형인 MC2가 있으며, IC와 비슷한 답지 반응 분포를 나타냈다. 이 문항에서 두드러진 특징은 무응답 또는 무의미한 오답인 NU의 비율이 매우 높았다는 점이다. 3수준 이하의 학생들의 응답에서는 이 유형의 분류가 가장 높았고, 척도 점수가 낮아질수록 NU의 비율이 높아져, 학생들의 기체 발생 실험에 대한 경험이 전반적으로 부족한 것은 아닌지 고민할 필요를 낳는다. 산소나 이산화 탄소와 같은 기체의 성질에 대한 이해까지 연계될 수 있도록 구성한 이 실험들은 일반적으로 사용하는 실험 구성이 특정되어 있으나, 실제 실험을 수행하기에는 여러 제약사항들이 있을 수 있어 실험 수행이 어려운 것도 사실이다. 다만, 본 문항의 결과와 같이 특정한 실험 상황에서 특정 초자에 무엇을 넣고 실험해야 하는지 등은 실제적인 학생들의 역량 함양을 위해서도 필요하다고 전문가들은 이야기했으며, 보완책으로 영상, 시뮬레이션 등과 같은 간접 경험 장치를 활용하는 것도 고민할 필요성이 있다고 볼 수 있다.
성취기준 [6과10-02]에 대한 이해를 평가한 문항6은 압력과 기체의 부피 관계에 대해 영상 자료를 보고 응답하도록 구성한 문항으로, 압력의 변화에 의해 기체의 부피가 변화하는 장면으로부터 둘의 관계, 관련된 예시를 들어 설명할 수 있는지 평가하였다. Table 9에 제시한 결과에 따르면 약 77.21%의 학생이 정답을 응답하였고, 대체로 2 수준에서 정답 응답 비율이 크게 감소하여 3수준 학생들까지는 대체로 이해하고 있는 것으로 나타났다. 오답의 유형은 크게 세 가지로 구분할 수 있었는데, 영상 자료의 정보를 토대로 기체의 압력과 부피 관계를 해석하지 못한 유형인 IC, 압력과 부피의 관계를 설명하는 예시를 적정하게 대응시키지 못하는 MC1과 MC2 유형이 나타났다. 상대적으로 높은 비율로 나타난 오답 유형은 MC2로 높은 산에서 기체의 부피가 증가하는 예시를 이와 연관시키지 못하는 경우였는데, 2수준과 1수준에서 이러한 응답이 상대적으로 높았다. 유사한 사례인 물 속 공기 방울의 크기가 수면으로부터의 거리에 따라 변화함에 대해서는 이해하는 비율이 높았는데, 두드러진 차이는 아니었으나 예시에 종류를 다양하게 관련지어 사고할 수 있는 교수학습의 필요성을 드러내는 결과라고 할 수 있다.
성취기준 [6과10-03]와 관련한 문항은 두 개로 문항7은 질소의 성질을 이해하는지 평가하였고, 문항8은 여러 가지 기체의 쓰임에 대해서 이해하는지 평가하였다. 우선 문항 7에 대한 결과는 Table 10에 제시하였는데, 정답률이 약 76.96%로 나타났고, 2수준에서 정답의 응답 비율이 크게 변화하는 것으로 나타났다. 문항7은 질소의 쓰임을 제시하고 관련된 성질을 이해하고 있는지 평가하는 문항이었는데, 산소, 이산화 탄소의 성질과 같이 선택지를 구성하였다. 이 문항에서 나타난 오답의 유형은 크게 세 가지였다. 우선, 질소의 성질 중에서 일부는 잘 기억하고 있으나, 이산화 탄소와 혼동하여 응답한 경우(PU1)와 산소와 혼동하여 응답한 경우(PU2)의 두 가지가 있었고, 질소의 성질 전반을 알지 못하는 경우(MC)도 있었다. 답지 반응 분포를 보면 이 세 유형에 대해 2수준에서는 PU1이 상대적으로 높은 비율을 보였고, PU2는 2수준과 1수준 전반에서, MC는 1수준에서 상대적으로 높은 비율을 보였다. 또한 오답 유형 중, 가장 높은 비율을 보인 것은 이산화 탄소의 성질을 혼동하는 PU1 유형으로, 이는 산소가 상대적으로 학생들에게 익숙한 것으로 볼 수 있는 결과이다.
문항8은 산소, 질소, 이산화 탄소의 쓰임을 각각 알고 있는지 평가하는 문항이었고, 헬륨, 네온의 쓰임에 해당하는 선택지들도 포함시켜 이 단원에서 학습하는 여러 가지 기체들의 성질을 고루 알고 있는지 평가하였다. 문항8의 결과는 Table 11에 제시하였는데, 정답률은 약 64.42%로 나타나 문항7에 비해 다소 낮게 나타났다. 오답 유형은 일부 기체의 성질에 대해서는 알고 있으나, 일부 기체의 쓰임 또는 성질을 혼동하는 경우의 네 가지로 나타났다. 첫 번째 유형인 PU1은 산소, 이산화 탄소의 쓰임에 대해서는 이해하고 있는 유형이었고, PU2, PU3, PU4는 산소의 쓰임에 대해서만 이해하고, 다른 기체에 대한 이해가 다소 부족한 유형이었다. PU2~4는 모두 질소, 이산화 탄소의 쓰임에 대한 이해가 부족함과 동시에 PU2는 헬륨의 쓰임, PU4는 네온의 쓰임에 대해 옳지 않게 판단하여 응답한 경우에 해당했다. PU3은 질소와 이산화 탄소의 쓰임을 반대로 기억하는 경우였다. 가장 두드러진 유형은 PU3으로, 답지 반응 분포에 따르면 4수준부터 이러한 응답 유형이 나타나면서, 2수준과 1수준에서 가장 높은 비율을 보였다. 앞선 문항7의 결과와 관련시키면, 이 단원에서 다루는 주요 기체들 중 산소의 성질과 쓰임에 대해서는 학생들이 상대적으로 익숙한 것으로 보이나, 질소, 이산화 탄소의 성질의 이해, 쓰임에 대한 이해가 상대적으로 부족한 것으로 보인다. 특히, 둘의 쓰임이 대체로 소화에 사용되거나 물질을 보호하는 용도 등, 화학 반응을 하지 않는 상황과 관련되기 때문에 학생들이 이 둘을 구분함에 있어 어려움을 겪고 있는 것으로 볼 수 있다.
논의 및 결론▼
이 연구는 우리나라 초등학교 6학년 학생들의 화학에 대한 성취 특성을 파악하기 위한 목적에서 학업성취도 평가 결과를 분석하였다. 이를 위해 2015 개정 교육과정에 따른 초등학교 6학년 대상 자율평가 과학과 문항 중, ‘산과 염기’, ‘여러 가지 기체’ 단원에 해당하는 문항들의 평가 결과를 분석하고, 학생들의 성취 특성을 살펴보았다. 구체적으로는 2022년 7월에 초등학교 6학년 학생 2,747명을 대상으로 시행된 자율평가 예비검사에 포함된 8개 문항을 분석하였다. 이 문항들을 대상으로 성취수준 집단별 정답률을 분석하고, 오답으로 분류된 응답들의 유형을 유목화한 후. 응답 유형에 따른 빈도를 성취도 점수에 따라 작성한 답지 반응률 분포 곡선을 그려 학생들의 성취 특성을 탐색하였다.
초등학교 6학년 학생들의 응답 결과 분석을 종합하면, 다음의 사항들을 논의할 필요가 있다. 첫째, ‘산과 염기’에서 학습하는 내용들에 대해 학생들은 지시약을 통해 물질을 ‘분류할 수 있다는 것’을 이해하는 비율은 높은 편이나, 특정 지시약의 색 변화와 함께 지시약으로 분류하는 대상이 되는 물질들의 액성을 기억하는 것은 상대적으로 어려워하고 있었다(문항1, 2). 즉, 분류라고 하는 탐구 기능을 토대로 문항을 해결할 수 있는 비율에 비해, 관련된 개별적 지식이나 정보를 기억하고 활용할 수 있는 비율이 더 낮다고 볼 수 있다. 이러한 결과는 다른 분석 대상 문항의 결과에서도 확인할 수 있었는데(문항3, 4), 2수준 이하의 학생들에게서부터 산성 용액과 염기성 용액을 구분하기 어려워하는 것으로 나타났다. 종합하면, 2수준 이하 학생들은 산, 염기의 예시로 자주 활용하는 물질의 기억을 어려워하며, 3수준 학생들은 각 지시약에 따른 변화를 기억해 응답을 요구할 때 오답을 선택하는 비율이 높아지고 있었다. 다만, 이러한 응답 특성에 대한 해석이 개별 물질 및 지시약에 따른 용액의 색 변화에 대한 기억에 초점을 둔 교수학습으로 연계해야 함을 의미하는 것은 아니다. 이 단원은 실험을 통한 관찰 및 분류의 경험을 토대로 물질의 성질이 서로 다르다는 점을 학습하도록 이끄는 것이지, 선행적으로 개별 물질들의 특성을 기억하고 실험을 통해 확인하는 것에 주안점을 두고 있는 것은 아니기 때문이다.
이 단원이 교육과정에서 강조하는 탐구 기능인 물질의 성질에 따른 분류의 의미를 이해하고 활동에 적용할 수 있는 학생들의 비율이 상대적으로 높다는 본 연구 결과를 고려하면, 산성 용액과 염기성 용액을 지시약을 이용해 분류할 수 있음을 효과적으로 지도하는 것을 고민해야 한다. 이러한 관점에서 지시약의 활용에 대한 고민이 필요하다. 하나의 사례로 지시약과 산성 또는 염기성 물질이 반응할 때의 색 변화는 그 변화를 직관적으로 관찰할 수 있을 때 도움이 될 수 있음을 강조한 선행연구와 같이,18 분류를 위한 명확한 기준과 가시적인 정보 수집이 가능한 실험을 보다 적극적으로 활용할 필요가 있다. 또한 학생의 이러한 성취 특성을 반영하여, 지시약을 활용한 용액의 색 변화와 이를 토대로 한 분류 경험이 필요함에 대해 교사들이 충분히 인지하고 교수학습을 계획하는 것도 필요하다. 한편, 2022 개정 교육과정에서 산과 염기에 대한 개념은 초등학교 5~6학년군에서 처음으로 다루게 되는데, 이전 교육과정과 비교해 같은 학년군에 포함되었지만, 물질의 변화를 이해하기 위한 내용 요소로 도입된다는 점에서 차이가 있다.2 따라서, 지시약에 의한 색 변화 관찰과 분류의 경험을 물질의 성질 변화로 자연스럽게 연계시키는 교수 학습을 계획해야 할 것이다.
둘째, ‘여러 가지 기체’관련 분석 결과에 따르면, 기체에 대한 학습 내용을 일상생활과 관련된 예시와 연관시키는 것을 2수준 이하의 학생들은 어려워하고 있었다. 기체의 압력과 부피 사이의 관계와 같은 현상의 관찰에 기반한 개념의 이해도는 상대적으로 높은 편이었으나, 일상에서의 예시와 연결할 때 일부 학생들이 오답을 제시하였다(문항6). 공기를 이루는 여러 가지 기체의 쓰임을 묻는 문항의 결과에 따르면, 산소의 성질과 관련된 쓰임은 상대적으로 이해도가 높았으나, 질소, 이산화 탄소에 대한 이해는 상대적으로 낮은 결과를 보였다(문항7, 8). 이는 여러 기체 중, 산소가 가장 친숙하고 쉽게 접할 수 있으며, 그 성질이 상대적으로 특수하여 기억하기에 용이한 것과 관련된다고 볼 수 있다. 고체나 액체에 비해 학생들에게 기체는 물질로 가장 익숙하지 않은 것이라는 선행연구의 결과를 고려하면,10 산소를 제외한 다른 종류의 기체들은 초등학교 6학년 학생들에게 익숙하지 않을 수 있음에 주목해야 한다. 아울러, 교육과정을 기술한 교과서에서 산소를 제외한 다른 기체들이 어떠한 방식으로 다루어지고 있는 등도 살펴 다양한 기체에 대해 보다 많이 접할 수 있는 기회를 제공하는 교수학습 구성도 필요하다고 볼 수 있다. 이 단원은 2022 개정 교육과정 적용에 따라 초등학교 5~6학년 군에서 3~4학년 군으로 이동하는 특징이 있는 단원이다. 따라서 2022 개정 교육과정에서도 기체의 종류와 성질을 학습하도록 한다는 점에서 어떻게 우리 주변의 물질로 기체를 설명하고 학습하도록 안내할 것인지 고민이 필요한 지점이다.
한편, 기체 발생 실험 장치에서 어떻게 장치를 꾸며 물질들을 반응시킬 것인가에 대한 이해는 상당히 낮은 정답률을 보였다(문항5). 이는 실험 수행의 경험의 부족과 연관될 수 있다는 점에서, 직접적인 실험이나 활동의 경험을 제공하는 방안을 지속적으로 찾고 강조해야 함을 시사한다. 다만, 전반적으로 화학 관련 실험을 수행하기 위해 실험실을 사용하면서도 수행의 부담이 높다는 초등학교 교사들의 의견과,19 학생들의 능력을 고려하면 2022 개정 교육과정에서 기체 발생 실험이 제외되는 것은 적절한 변화인 것으로 보인다. 다만, 고체나 액체에 비해 물리적으로 접하기 어려운 기체의 특성을 고려할 때, 비교적 안전하게 수행 가능한 다른 실험들을 적극적으로 수행하거나, 영상 자료 등으로 대체하여 간접적인 경험과 함께하는 교수학습을 계획하는 것도 고려 가능한 방법이다.20
마지막으로, 본 연구에서는 과학과의 핵심역량과 관련하여 드러나는 응답의 유형들을 확인할 수 있었다. 우선, 2수준 이하의 학생들은 조작 변인을 설정하는 것에 비해 이외의 변인들을 통제하고 이를 고려한 실험 설계를 할 수 있는 능력이 크게 낮아지는 것으로 보인다. 전국과학 전람회 수상 학생의 보고서를 분석한 선행연구에서도 변인의 설정이나 변인 통제 과정에서 오류의 비중이 높았다는 점은, 목적에 부합하게 실험을 설계하는 것이 쉽지 않음을 드러낸다.14 이와 관련하여 2015 개정 교육과정에 따른 교과서에는 같게 해야 할 조건, 다르게 해야 할 조건으로 변인들을 제시하고 있으며, 이는 2022 개정 교육과정에 따라 학습하는 내용들에도 제시되는 것으로 보인다. 즉, 2022 개정 교육과정에서 조작 변인과 통제 변인을 고려한 활동과 학습이 예상된다. 이에 교육과정이 명시적으로 ‘가설’과 ‘변인’을 초등학교에 강조하고 있지는 않으나, 실험의 설계에 대한 이해도를 제고하기 위한 방안이 요구된다. 한편, 2수준 이하의 학생들에게서 문항의 자료로 제시되는 표의 정보를 종합하여 해석하는 자료 해석 능력도 다소 부족한 것으로 나타났다. 하지만, 앞선 항목인 변인과 관련된 결과에 비해 이 능력의 부족으로 해석되는 응답의 비율이 높지 않았다는 점은 추후 상세한 연구가 필요한 지점이다.
이 연구의 결과는 체계적 표집 절차를 거쳐 시행한 전국 단위의 평가 결과를 대상으로 하였기 때문에 우리나라 학생들 전반의 특성을 살펴볼 수 있다는 점에서 특징이 있다. 다만, 그 범위가 특정 두 개 단원에 국한되었다는 점은 후속 연구의 필요성을 제기한다. 특히, 2022 개정 교육과정은 2015 개정 교육과정과 비교하여 학년별로 학습하는 내용을 새로 조직하였다는 점에서, 각 학년의 학생들에게 적합한 교수학습 계획을 수립하기 위해 학생들의 성취 특성을 파악하고 분석할 필요가 있다. 또한 본 연구의 결과는 평가 결과 중, 답지 반응을 중심으로 하였다는 점에서 응답의 세부적인 이유를 듣지 못하였다는 점도 한계이다. 이러한 한계를 고려하여 초등학생들이 갖는 화학에 대한 이해를 세부적으로 알아보기 위해 구체적인 이해의 특성과 학생들이 갖는 대안적인 개념 등을 파악하는 심층적인 연구와 노력이 지속되어야 할 것이다.