KOFAC ISSUE PAPER

포스트코로나 시대, 시뮬레이션을 활용한 중등 단계 과학적 소양 함양 방안 탐색

작성자 | 한국과학창의재단 미래인재양성지원팀 고수영 연구원 대련한국국제학교 서영석 교사

포스트코로나 시대, 시뮬레이션을 활용한 중등 단계 과학적 소양 함양 방안 탐색

코로나19 감염병 확산으로 더디게 진행되었던 비대면 교육은 첨단 과학기술과 함께 일상 속에 빠르게 자리하게 되었다.

이러한 상황에서 중·고등학생의 과학 소양 함양 및 역량 강화를 위한 교육 현장에서의 다양한 노력이 계속되고 있다. 특히, 온라인에서 활용하고 있는 실험·탐구 도구인 시뮬레이션 SW를 중심으로 과학적 모델링 관련 연구·정책 동향 및 현장 사례를 종합하여 포스트코로나 시대 중학·고교 단계 과학학습 지원을 위한 방안을 모색해 보고자 한다.

Contents

과학적 소양과 과학 탐구

시뮬레이션 활용 과학 수업

실제 수업 사례

관련 중장기 정책

소결 및 시사점

과학적 소양과 과학 탐구

1. 과학적 소양 및 과학 탐구

미래세대의 과학적 소양의 중요성 첨단 과학기술 발달에 따른 산업 변화 및 코로나19 확산 등에 따른 복잡성, 불확실성으로 대표되는 미래사회에는 문제를 과학적으로 이해·탐구·해결하는 기본적 역량인 ‘과학적 소양’이 어느 때 보다 중요하다. 과학적 소양(Science Literacy)의 정의는 국가 및 연구자에 따라 차이가 있다. 최근 국내에서 중장기 프로젝트를 통해 진행되었던 「미래세대 과학교육표준(한국과학창의재단, 2019)」은 ‘과학적 소양’을 과학 관련 “역량”과 “지식”을 지니고, 개인과 사회의 문제 해결에 민주시민으로서 “참여하고 실천하는” 능력과 태도로 정의하고 있다.

그림 1 과학적 소양(TOSL: Tree of Scientific Literacy) 모형 (한국과학창의재단(2019), 미래세대 과학교육표준)

교육과정에서의 과학교육 목표 및 과학 탐구 2015 개정 교육과정은 자연 현상과 사물에 대하여 호기심과 흥미를 가지며, 과학 핵심 개념에 대한 이해를 바탕으로 개인과 사회의 문제를 해결하는 ‘과학적 소양’을 과학교육의 목표로 하고 있다.

세부적으로는 아래 5가지를 제시한다(교육부, 2015).

가. 자연 현상에 대한 호기심과 흥미를 갖고, 문제를 과학적으로 해결하려는 태도를 기른다. 나. 자연 현상 및 일상생활의 문제를 과학적으로 탐구하는 능력을 기른다. 다. 자연 현상을 탐구하여 과학의 핵심 개념을 이해한다. 라. 과학과 기술 및 사회의 상호 관계를 인식하고, 이를 바탕으로 민주 시민으로서의 소양을 기른다. 마. 과학 학습의 즐거움과 과학의 유용성을 인식하여 평생 학습 능력을 기른다.

‘과학적 탐구 능력’은 과학적 문제 해결을 위해 실험, 조사, 토론 등 다양한 방법으로 증거를 수집·해석·평가하여 새로운 과학 지식을 얻거나 의미를 구성해 가는 능력을 말한다. 과학적 탐구를 위해서는 과학 탐구 기능과 지식을 통합하여 적용하고 활용하는 능력이 필요하며 과학적 사고력이 이 과정의 기초가 된다(교육부, 2015).

전통적인 과정 중심 과학 탐구

2. 일반적인 중등 단계 과학 탐구의 한계점 및 대안으로서의 모델링

2000년부터 2013년까지 우리나라 과학교육 연구에서 탐구에 대한 학생의 학습 관련 연구 137편을 분석한 결과, 전통적인 과정 중심 탐구에 관한 학생 학습 연구가 92편에 이른다(김영민 외, 2015).

과정 중심 탐구는 과학 탐구를 개별적인 기능의 집합으로 보고, 기능 요소의 육성을 탐구 학습의 목표로 한다. 이 때문에 탐구 과정과 과학 개념 연계에 대한 고민이 비교적 중요하지 않다는 단점이 있으며, 과정 중심 탐구는 과학의 참된 모습을 보여주기에 부족하다는 비판이 지속되고 있다(Hodson, 1996; Windschitl, Thompson, & Brraten, 2008).

특히, 원리 법칙, 이론 등으로 구성된 과학적 설명이 실증적 자료만으로 유도된다는 관점은 과학탐구에 대한 생각을 제한할 가능성이 있다. 과학탐구 기능만을 강조하는 경우, 탐구 과정의 실행 중 과학 내용의 학습 중요성을 약화시켜, 유의미한 학습 기회를 축소할 가능성이 있다(강남화, 2015).

과학교육에서의 모델과 모델링 초·중등 학생의 과학적 탐구 능력 함양을 위한 방법으로 ‘모델 및 모델링을 강조한 교수학습’이 제안되었으며, 우리나라는 2007 개정 및 2009 개정 교육과정에서 학생의 이해 및 흥미 유발을 위해 모델을 사용할 수 있다고 제안한 바 있다. 최근 2015 개정 교육과정에서는 모델 사용에 대한 설명과 함께 모델이 실제 자연 현상과는 차이가 있음을 강조하고 있다(교육부, 2015).

[과학교육에서의 모델] 학생들이 관찰한 자연이나 현상에 대해 세운 자신의 모델을 다양한 표상의 표현 모델로 나타내는 것(Windschitl, Thompson & Braaten, 2008)

학습자는 자신이 만든 모델을 다른 사람과의 의사소통을 통해 평가하고 수정하는 일련의 과정을 통해 스스로 과학적 지식을 만들고 재구성함(Gilbert, Boulter & Rutherford, 1998; Jonassen, Strobel & Gottdenker 2005; Koponen, 2007)

[과학교육에서의 모델링] 모델을 구성하고 더 나아가 비교를 통해 정교화시키는 일련의 과정(Clement, 2000; Justi & Gilbert, 2002) 1989년부터 2016년까지 27년간 모델 및 모델링 관련 연구를 분석한 결과 3/4 정도가 학생을 대상으로 한 연구였고, 이 중 절반 이상은 중·고등학생을 대상으로 모델 및 모델링 활동을 분석한 연구로 조사되었다.

중·고등학생을 대상으로 진행된 모델 및 모델링 활동(탐구, 수업)은 자연 현상을 관찰하고 설명 및 예측하도록 하여 학생들의 개념 변화를 촉진한다. 이는 과학교육에서 과학적 탐구 및 과학적 소양을 함양시키기 위한 핵심 활동이 될 수 있으며 이러한 과정에서 과학적 의사소통이 이루어진다(남정희 외, 2017).

비대면 상황에서의 과학 탐구 대안 과학 교과는 과학실에서의 실험 수업, 학교 밖 체험·탐구 활동, 자료조사, 토론, PC를 활용한 수업 등 다양한 교수·학습 방법의 활용이 가능하다. 코로나19로 학교 수업 현장에 많은 변화가 생긴 가운데, 2019년~2020년 중학생, 고등학생 대상 과학 수업 방법별 선호도를 조사한 결과, PC 및 스마트폰을 활용한 수업은 아이들의 관심도와 흥미도가 높은 수업으로 조사되었다(한국과학창의재단, 2019, 2020).

표 1

연도별 중학생의 과학 수업 방법 선호도

(한국과학창의재단, 2020)

표 2

연도별 과학과 일반선택과목의 수업

방법별 고등학생의 선호도 비교

(한국과학창의재단, 2020)

2020년

구분

M 3.20 3.52 3.58 2.53 2.93 3.16 2.79 2.96 3.13 3.63 3.85

1) 강의 위주 수업 2) 선생님의 시범 실험 3) 학생중심 탐구실험 4) 과학 글쓰기 수업 5) 토의·토론 수업 6) 교과 융합수업 7) 조사·발표 8) 발표 과제 연구 9) 모둠별 과제 연구 10) 스마트폰이나 컴퓨터를 이용한 수업 11) 학교 밖 과학 활동

구분

2019년 평균 3.46 3.58 3.49 2.36 2.84 3.20 2.97 3.11 3.02 3.67

1) 강의 위주 수업 2) 선생님의 시범 실험 3) 학생중심 탐구실험 4) 과학 글쓰기 수업 5) 토의·토론 수업 6) 교과 융합수업 7) 조사·발표 8) 발표 과제 연구 9) 모둠별 과제 연구 10) 정보화기기 활용 수업

2019년 평균 2018년 평균

SD 0.97 0.89 0.91 1.04 1.13 0.99 1.13 1.11 1.06 0.97 1.01

2020년 평균 3.40 3.49 3.52 2.45 2.89 3.27 3.03 3.25 3.17 3.49

비대면 수업·탐구 환경이 계속됨에 따라, PC, 스마트기기 등 정보화기기를 활용한 온라인 수업·탐구 활동이 활발히 진행되고 있으며, 그 예로는 AR/VR/XR 등 실감형 콘텐츠를 활용한 탐구 수업, IOT 센서링을 활용한 실시간 데이터 수집·분석 탐구 수업, 시뮬레이션 SW를 활용한 가상실험 수업, 탐구결과 공유 등이 있다.

시뮬레이션을 활용한 과학 수업

시뮬레이션은 자연을 가상환경에서 재현하는 것으로, 전통적인 과학 실험의 문제점을 보완하는 그 교육적 효과와 관련한 논의가 진행되고 있다.

특히, 전기장, 자기장 등 추상적인 개념을 학습하는 경우 혹은, 시간이나 안전상의 이유로 수행이 어려운 실험인 경우에 활용 가치가 높다. 학생들은 관련 시뮬레이션을 활용하여 반복적으로 변수를 조작 및 실행함으로써 즉각적으로 시각적인 결과를 확인하고 결론 도출, 논의 활동 등 능동적인 학습의 기회를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

1. 국내외 연구 동향

GeoGebra, Desmos, Python 등 다양한 소프트웨어를 도구로 다양한 과학탐구 시뮬레이션 교수학습자료가 개발되었으며, 아래의 표는 최근 국내 연구 동향을 보여준다.

연구자

적용대상

전영국(2014) 중학생 김중복(2018) 중학생 문성윤(2020) 고등학생 김민환(2020) 고등학생 백성혜(2020a) 고등학생 김중복(2020) 고등학생 심현진(2021) 영재학생 이종완(2013) 대학생 채승철(2018) 대학생 김창배(2020) 대학생 백성혜(2020b) 대학생 박정우(2021) 대학생 채승철(2019) 예비교사

소프트웨어

교과

홍훈기(2018) 중학생 Flash, Actionscript 3.0

화학

NetLogo

물리

Desmos

지구과학

엔트리

물리

Python

물리

GeoGebra

지구과학

Desmos

지구과학

GeoGebra

지구과학

VPython

물리

Python VPython

물리

GeoGebra

화학

Desmos

물리

Python

물리

영역 앙금생성반응 열평형, 저항과 전압과의 관계 식 현상 포물선 운동 2차원 파동 간섭 달의 위상 변화 무리(halo) 현상 화성의 공전궤도 작도 게임물리학 물리 기호연산, 시각화, 확률적 시뮬레이션 선형 질량-스프링 결합계 진동 금속의 결정 구조 양자역학 시각화 교수자료

대부분 연구들이 직접 시뮬레이션 프로그램을 제작하여 교육 현장에 보급하는 형태인데 반해, 채승철(2019), 박정우(2021)는 학생들이 직접 시뮬레이션을 제작하였다는 점에서 의미가 있다. 중·고등학생들이 직접 코딩하며 모델링하고 개념을 학습하는 형태의 연구는 발견되지 않았다.

한편, 해외에서는 과학교육에 PheT, Physlet 등의 시뮬레이션을 활용한 연구가 다수 존재한다. Matter & Interaction 교재(번역서: 물질과 상호작용) 등에서 VPython을 접목하기도 하였으나, 대학 수준이 주를 이루고 학생들이 코딩 과제를 수행하고 관찰하는 것에 그쳤다. AAPT의 PICUP(Partnership for the Integration of Computation into Undergraduate Physics)에서 많은 과제들이 공유되고 있으나 대화형(interactivity)은 그 사례가 드물다.

2. 시뮬레이션을 활용한 기존 수업 모형

국내외 연구현황을 정리하면 과학교육 시뮬레이션은 크게 두 가지 활용 형태로 나뉘며, 이러한 구분은 Orban(2018)의 연구와 대체로 일치하고 있다.

전통적인 접근 방법

유형1

Python 코드 일부

예시

from pylab import * t = zeros(n,float) y = zeros(n,float) v = zeros(n,float)

단점

유형2

예시

라이브러리, 문법 등 코딩 학습에 많은 시간이

PHET/Physlet/JavaLab 접근 방법

PheT, Gravity and Orbits

코드를 직접 볼 수 없는 완제품으로 주어져

단점 필요하며, SW-과학 개념을 동시에 학습해야 하는 상황으로 학생들은 주어진 변수만을 조작하고 관찰하며 정해진 인지 과부화가 발생될 수 있음

틀에서 탐구·학습함

유형3

3. 하이브리드 접근법의 특징 및 장점: VPython, NetLogo 활용

하이브리드 접근 방법(상호작용과 코딩)

초기 조건

(Initial Conditions)

키보드 / 마우스 입력

(Keyboard/mouse input)

시스템 변수 전달 (힘 측정, 위치 및 속력 업데이트)

(Advance system variables (compute forces, update positions and velocities))

시각화

(Visualization)

사용자 제어 (User Control)

반복 (Iteration)

그림 출처 : A hybrid approach for using programming excercises in introductory physics(AJP, 2018)

Orban(2018)은 기존 두 가지 접근 방법의 장점을 살린 하이브리드 접근법을 제안하였다. 이는 학생들이 직접 코드를 보고 수정한다는 측면에서 전통적인 방식과 유사하며, 상호작용 시각화가 있다는 점에서는 PHET/Physlet/ JavaLab과 유사하다. VPython, NetLogo를 활용하여 하이브리드 접근을 할 수 있는데, 이때 장점은 다음과 같다.

· 소프트웨어 설치가 간단하고 학습 및 조작이 용이하다. · 중학교 과학부터 물리학Ⅱ까지 연계성 있게 제시 가능하며, 정보, 수학, 체육 등 다양한 교과와 융합 수업의 도구로 활용이 가능하다. 블록 코딩에서 텍스트 기반으로 넘어가는 발판으로도 사용할 수 있다.

1) V-Python을 이용한 물리학 탐구

유형3 통합과학에 제시된 자유낙하, 수평투사에서 시작하여 이 두 물체의 처음 위치, 속도만 수정하여 물리학Ⅱ 포물선

운동의 주요 특징들을 모두 도출해 낼 수 있다.

· 대상의 움직임을 매 순간 시각적으로 제시하여 사회, 자연 현상의 메커니즘을 관찰할 수 있다. · 모델링 과정을 경험할 수 있으며 학생들이 탐구의 도구로 사용하는 것이 가능하다.

[일반적인 물리학 수업을 통한 개념 이해가 어려운 이유] · 중등 물리 교과는 운동하는 물체를 모두 점입자(point-particle)로 가정하며, 마찰력을 제외하는 등 주로 역학적 에너지가 보존되는 케이스를 다룬다. 학생들은 과학 이론과 현실을 분리하여 인식하기 쉽다. · 포물선 운동을 기술(description)하려면 벡터, 미적분 등 수학이 선행되어 있어야 하며, 간단한 문제 상황에도(자유낙하 하는 물체에 공기저항만을 추가적으로 고려) 미분방정식이 요구될 수 있다.

· 물리 학습을 위한 수학은 요구 수준이 높아 도구로서 활용이 어려우며, 필요한 수학이 선행된 경우에도 물리 식에 의미를 부여(sense-making)하는 것에는 어려움이 있다.

2) NetLogo를 이용한 모델링 학습 Uri Wilensky & William Rand(2015)는 수학적 표상(mathematical representations)과 대비하여 행위자 기반 표상(Agent-Based representations)의 장점으로 미적분이 요구되지 않는 점을 들었으며, 산불 모델(Forest Fire)을 예로 제시하였다.

유형3

산불은 heat equation, Reynolds equation 등 편미분 방정식을 이용해 수학적으로 탐구됨에 반해, Uri Wilensky & William Rand(2015)는 NetLogo를 이용한 간단한 산불 모형을 제시한 후 확률(Probabilistic Transitions), 바람(Adding Wind), 점프(Allow Long-Distance Transmission)를 차례대로 고려해 나가는 모델링을 제시한다.

시뮬레이션을 활용한 중고생 대상 실제 수업 사례

1. 중·고생 대상 뉴턴의 대포알 사고 실험 수업

[수업 사례 1] - 시기 : 2021학년도 1학기 - 수업 대상 및 교과 : 대련한국국제학교(중국) 10학년 통합과학

뉴턴의 대포알 사고 실험은 수평투사와 함께 통합과학 교과서에 제시되어 있다. VPython 코드로 쉽게 구현이 가능하며 학생들은 코드 속 대포알의 속력을 바꿔가며 대포알의 궤적을 탐구할 수 있다. 중력이 작용하는 물체의 운동은 이차곡선(conic section)으로 고등학교 기하에 제시되며, VPython을 이용하면 해당 내용을 연계성 있게 제시할 수 있다.

수업 내용

수업운영 자료

[통합과학 교과서에 제시된 뉴턴의 사고실험]

그림 출처 : 비상교육 통합과학 교과서 97p

[VPython으로 구현한 뉴턴의 사고 실험]

그림 출처 : 비상교육 통합과학 교과서 110p

2. 중·고생 대상 포물체 운동(projectile motion) 수업

[수업 사례 2-1] - 시기 : 2021학년도 여름방학 - 수업 대상 및 교과 : 대련한국국제학교(중국) 9학년 방과후학교 ※ (학생 특성) 1학기에 등속 운동과 자유 낙하 운동을 학습한 9학년 학생으로, 과학 성취 수준이 낮은 편이었음

등속 운동과 자유 낙하 운동을 VPython으로 구현하고 공의 처음 위치, 처음 속도를 바꿔가며 공의 운동을 탐구한다.

수업 내용

공이 바닥과 충돌 후 튕기는 상황을 구현하고 싶다는 학생이 있었고, 조건문 속 속도의 부호를 반대로 바꿔 성공하였다. 이후 반발계수를 고려하며 코드를 수정하였다.

과제1

속도를 바꾸는 과정에서 비스듬히 던진 물체(포물체 운동)를 구현하여, 수평 도달거리가 같은 물체로 두 번째 공을 추가하는 과제를 부여했다. 여러 시행착오를 통해 성공한 뒤, 포물선의 체공시간, 수평 도달거리를 학습하였다.

과제2

[수업 사례 2-2] - 시기 : 2020학년도 겨울방학 - 수업 대상 및 교과 : 대련한국국제학교(중국) 10학년 방과후학교 AP Physics 1 ※ (학생 특성) 10학년 통합과학만을 이수한 학생으로 아직 벡터와 미적분, 물리학Ⅰ을 학습하지 않은 상태였음

방과후학교 VPython 수업에서 통합과학의 수평투사 운동을 코드로 구현해 보았고, AP Physics 1에서 2차원 운동학을 탐구한다.

수평투사 운동 코드를 수정하여 문제를 해결하고 싶어 하였고, 학생 간 논의를 유도하여, 수평투사 운동코드를 수정하여 문제를 해결하도록 하였다.

과제

수업운영 자료

[AP Physics 1 교재 문제]

A cannonball is shot with an initial speed of 50m/s at a launch angle of 40° toward a castle wall 200m away. The height of the wall is 30m. Assume that effects due to the air are negligible. (For this problem, use g = 9.8 ㎨.) (a) Show that the cannonball will strike the castle wall. (b) How long will it take for the cannonball to strike the wall? (c) At what height above the base of the wall will the cannonball strike?

[문제 해결을 위해 학생이 직접 코드를 작성하고 실행한 화면]

[수업 사례 2-3] - 시기 : 2021학년도 2학기 - 수업 대상 및 교과 : 대련한국국제학교(중국) 12학년 과학과제연구, 체육탐구 융합수업

포물선까지 실습 후 모둠을 나누어 스포츠를 정하여 공의 궤적을 탐구한다.

수업 내용 * 중국의 제로 코로나 정책과 코로나19 환자 발생으로 Zoom을 이용한 원격 수업으로 진행

포물선의 구현까지는 교사 주도로 진행되었으며 이후 추가적인 변수를 고려하고 이를 코딩으로 구현하는 것은 모둠별로 또래 멘토 주도 하에 진행하였다.

과제

3. 수치 미분을 통한 구심가속도 벡터 시각화

[수업 사례 3] - 시기 : 2021학년도 1학기 - 수업 대상 및 교과 : 대련한국국제학교(중국) 12학년 물리학Ⅱ

구심가속도와 구심력, 원심력을 구분하지 못하는 경우가 많고, 교과서나 EBS 등 교재에 제시된 유도 방식은 어려울 수 있어, 시뮬레이션을 활용한다.

국내 정책 현황

국내에서는 코로나 이후 비대면 수업 환경에 적합한 교육콘텐츠 및 인프라 구성을 위한 다양한 사업·정책을 계획·추진 중에 있으며, 과학교육, 초·중등 교육 일반, 인재양성 분야의 대표적인 중장기 정책 및 사업은 아래와 같다.

➊ 제4차 과학교육 종합계획, (교육부, 2020.5.) 추진전략 _ 3. 지능형 과학교육 환경 조성 ・(지능정보기술 기반 지능형 과학실 구축) AI, AR, VR 등 첨단 과학기술을 기반으로 과학 탐구·실험활동 및 융합적 교육 활동이 가능한 과학실 구축

※ 실제 데이터(real data)를 교실 수업에서 자유롭게 활용할 수 있도록 지원하는 온라인 플랫폼 개발·보급 (’21 시스템 구축 → ’22 플랫폼 운영) 추진전략 _ 4. 첨단 과학기술 활용 과학수업 강화 ・(첨단 과학기술 활용 자기주도 과학학습 지원) 인공지능을 활용하여 학생 수준별·진로별 맞춤형 학습 및 보완학습 지원, 중·고등학생 대상의 웹 기반 실험 도구 및 수업 프로그램 개발·보급을 통해 실험·탐구 활동 흥미 제고

※ ‘과학 시뮬레이션 소프트웨어’ 개발(’20. 연구 → ~ ’21. 개발)

❷ 코로나 이후, 미래교육 전환을 위한 10대 정책과제, (교육부, 2020.10.) 전략과제 _ 9. 디지털 전환에 대응한 교육 기반 마련 ・(콘텐츠 유통 환경 조성) 공공·민간·개인(교원) 등이 참여하여 유·무료 교육용 콘텐츠를 개발·공유·확산하는 개방형 콘텐츠 유통 플랫폼 구축

❸ 제4차 과학기술인재 육성·지원 기본계획, (관계부처 합동, 2021.2.25.) 전략과제 _ 1. 기초가 탄탄한 미래인재 양성 ・(초·중등 수·과학 및 디지털 기초역량 제고) 첨단교육 인프라를 기반으로 초·중등 수학·과학 및 디지털 역량을 제고하고, 교원의 전문성 향상을 위한 지원 확대

※ AI교육 플랫폼, AI 수학학습 지원시스템 구축

➍ 초·중등 수학역량 강화 방안, (과학기술정보통신부, 2021.6.27.) 전략과제 _ 3. 학교 안팎 인프라를 활용한 수학 대중화

・(학교밖스마트 수·과학실 구축 및 온라인 가상실험 SW개발) 지역 수학·과학 탐구 공간 및 온라인 가상실험 플랫폼을 구축하여 시공간 제약 없이 원하는 실험·탐구를 경험할 수 있는 환경 제공 ※ 온라인 스마트 수학·과학 가상실험 환경 구축 ➎ 인재양성 정책 혁신방안, (관계부처 합동, 2021.11.16.) 전략과제 _ 3. 생애 전 주기에 걸친 역량개발 기회 제공 ・(온라인 인프라를 마련하여 지역·공간적 한계 극복) 온라인 교육과정만으로도 누구나 충분한 학습기회를 제공 받을 수 있도록 교육·훈련 인프라 고도화 ・(변화된 요구역량에 맞추어 기초·역량교육 지원) 전 국민이 언제든 미래사회에 대비한 기초역량을 키울 수 있도록 학습문턱을 낮추고 배움 기회 확장

※ 초·중·고 학생의 학교 내 교육기회 확대 (선택과목 확대, 고교학점제 등을 통해 외부자원 연계) 이 중 미래인재의 과학적 소양을 강화하기 위하여 정부는 「제4차 과학교육 종합계획’과 ‘초·중등 수학역량 강화 방안(안)」을 중심으로 미래인재의 과학역량을 강화하기 위한 온라인 과학 탐구·활동 방안을 구체적으로 담고 있다.

「제4차 과학교육 종합계획」을 통해 발표한 것과 같이 교육부는 모든 학교에 ‘지능형 과학실’을 구축하고, 실제 데이터를 교실 수업에서 자유롭게 활용할 수 있도록 지원하는 온라인 플랫폼(지능형 과학실 ON)을 구축 중에 있다.

그림 2

지능형 과학실 ON 세부내용

온라인 플랫폼(지능형 과학실 ON)을 활용하여 아이들은 주변에서 발생하는 실제 데이터(온도, 습도, 이산화탄소, 미세먼지 등) 및 다양한 외부자원(과학관, 기상청, 통계청 등)의 데이터를 측정·수집·분석·공유하는 경험을 해볼 수 있다. 일련의 과정은 학교 과학교육과 연계를 통해, 학생들의 과학적 소양 및 역량 함양을 지원한다. 또한, 과학기술정보통신부에서도 「미래 과학기술인재양성을 위한 초중등 수학역량 강화 지원방안(안)」 내 담긴 과제인 온라인 가상실험 SW 개발 사업을 2022년 주요 핵심사업으로 추진할 계획이다.* * [’21.12.3. 과학기술정보통신부 예산 확정 보도자료] 온라인 수학·과학 가상실험 환경 구축사업 해당 사업은 대학·연구자 수준에서 사용되어 왔던 KISTI의 EDISON 시뮬레이션 SW와 실제 실험 데이터를 활용한 가상실험 환경 및 콘텐츠를 제공한다. 해당 도구를 활용하여 모델, 모델링 교수학습이 가능한 온라인 탐구 환경이 마련될 것으로 전망된다.

소결 및 시사점

① 소결

⊙ 본 자료에서는 포스트코로나 시대 중학·고교 단계 학생들이 과학적 소양 함양을 위한 다양한 방법 중 시뮬레이션을 활용한 과학 탐구 관련 연구·사례·정책 등을 중심으로 살펴보았다.

⊙ 과학 개념을 효율적으로 이해하기 위해선 ‘모델 및 모델링을 활용한 과학 탐구’가 필요하며, 이는 2007 개정 교육과정 이후부터는 과학적 소양을 함양을 목표로 과학과 교육과정에서 더욱 강조되고 있음을 확인할 수 있었다.

⊙ 이후 살펴본 시뮬레이션을 활용한 과학 수업의 실례들은 전통적인 과학 실험 문제를 해결하기 위한 다양한 학습 도구들의 활용을 보여준다. 그러나 조사된 자료에 따르면, 시뮬레이션을 활용하여 개념을 표상화하고 학습하는 모델링 관련 연구는 찾아보기 어려웠다. 제한된 환경에서 수업을 자료를 개발하고 적용해 보는 연구가 주를 이루고 있었다. 또한, 주로 영재학생, 고등학생, 대학생을 대상으로하며, 학생이 직접 코딩해 보는 경우는 매우 드물게 연구되었다.

⊙ 해외 연구에서는 너무 어렵거나, 단순 출력값만 노출시키는 전통적인 시뮬레이션 활용 수업에서 나아가, ‘하이브리드 접근법을 활용한 시뮬레이션’의 탐구·수업의 장점을 제시한다. 실제 하이브리드형 시뮬레이션(Vpython)을 활용한 수업 사례를 탐색해 본 결과, 일반 중학·고교생 및 동아리 활동, 정규수업 등에 적용하였을 때, 학생의 과학 흥미도 향상 및 개념 이해·탐구에 있어 이 같은 수업 방식이 의미 있게 활용되었음을 확인할 수 있었다.

⊙ 코로나19로 인하여 교육패러다임의 전환이 일어나고 있다. 정부는 이를 위해 다양한 플랫폼 및 SW 개발을 위한 다양한 정책들을 추진하고 있으며, 특히 학교안 과학교육 지원을 위한 데이터 기반의 종합 플랫폼 ‘지능형 과학실 ON’과 내년부터 새롭게 추진되는 ‘온라인 수학·과학 가상실험 환경 구축’ 사업 등이 교육 현장에 적용될 수 있을 것으로 보인다.

② 시사점

⊙ 비대면 수업 환경에서 과학적 소양(역량) 함양을 위해 시뮬레이션을 활용한 다양한 연구 및 현장에서의 노력이 진행되고 있다. 2020년도부터 정부 차원의 중장기 정책을 통해 국가 차원의 사업으로 추진된다는 점은 매우 고무적이다.

⊙ 다만, 보다 많은 중학·고교 단계의 학생이 혜택을 누리고 과학적 소양을 함양하기 위해서는 현장 적합도가 높은 플랫폼과 시뮬레이션 SW, 콘텐츠가 제작되는 것이 무엇보다 중요할 것이다. 이를 위해서는 1) 지속적으로 현장 과학교사의 의견을 수렴할 수 있는 소통 창구를 마련(예 : 교원 학습 공동체, 연구회, 자문위원회 등)하여 학생 수준에 맞는 콘텐츠를 기획해야 한다. 또한 2) 활용도를 높일 수 있도록 교원 연수 활성화 및 오프라인 인프라(지능형 과학실, 무한상상실 등)와의 적극적인 연계 추진의 필요성이 있다.

⊙ 본 고에서는 시뮬레이션을 활용한 온라인 콘텐츠 수업을 강조하며, 일반수준의 학생들을 대상으로 한 실제 수업 사례를 제시하였다. 시뮬레이션 활용 수업이 대학생, 영재학생 등 높은 수준의 학생들만의 소유물이 되지 않도록 다양한 콘텐츠를 개발하고자 하는 노력이 필요하다.

⊙ 향후 ‘지능형 과학실 ON’과 ‘온라인 수학·과학 가상실험 플랫폼 및 콘텐츠’ 간의 연계 방안이 마련된다면, 다양한 수준의 학생들이 스스로 하고 싶은 과학 탐구 활동을 설계하고, 온라인을 통해 가상 실험 수업 등에 참여하는 기반이 마련될 것으로 예상된다. 비대면 환경에서의 안정적인 수업 운영 및 교수법의 향상을 위하여, 이 같은 분야의 연구지원을 늘려가는 검토도 병행되어야 한다. 포스트코로나 시대에 적합한 방식으로, 미래 과학기술인재 양성을 위한 탐구 역량 함양 등 과학적 소양은 물론 과학에 대한 흥미를 높이는 긍정적인 변화를 기대할 수 있을 것이다.

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