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친근한 소재 활용, 과학 탐구기능의 의미 파악

과학에 흥미 느끼고, 문제해결력 키워

문제해결력은 빠르게 변화하는 세상에 적응하는 것을 넘어서 변화를 주도하는 원동력이 될 수 있다. 과학 교과에서 문제해결력을 키우는 방법은 무엇일까? 과학적 탐구기능을 습득하는 것은 문제해결력을 키울 수 있다. 과학적 탐구기능은 관찰, 측정, 분류, 예상, 추리는 물론이고, 문제를 인식하고, 가설을 설정하며, 변인을 통제하여 수집한 자료를 변환·해석하고, 타당한 결론을 도출하는 통합적 탐구과정을 모두 포함하기 때문이다. 필자의 수업에서 학생들이 과학적 탐구기능을 학습한 사례를 몇 가지 소개하고자 한다.

이 수업의 주안점은 아래와 같다.

•과학적 탐구기능(기초탐구과정과 통합 적 탐구과정)을 습득하는 동시에 교과 내용을 이해한다.

•친근한 소재를 이용하여 탐구기능을 가볍게 학습하고, 학습한 탐구기능의 의미를 파악한다.

•수업의 전 과정에서 자기평가와 즉각적이고 구체적인 피드백을 통해 교정학습을 촉진한다.

수업 사례

➊ •학습 주제 : 표면의 거칠기와 마찰력의 크기

  •학습 목표

    ① 실험을 설계(변인통제)할 수 있다.

    ② 실험 결과를 이용하여 결론을 도출할 수 있다.

학생들은 토끼가 20마리가 살고 있는 농장의 주인이 된다. “어느 날, 토끼가 맘에 들지 않은 주인이 토끼들을 죽이기로 결심해요. 토끼에게 먹일 약을 개발하죠. 토끼에게 약을 먹이고, 3일 후에 농장에 찾아갑니다. 토끼들이 모두 죽었어요.” 이야기를 듣고 있던 학생에게 질문을 던진다. “이 약은 토끼를 죽인 걸까요?” 학생은 자신있게 “네!”라고 대답한다. “토끼가 굶어 죽었을 수도 있잖아요?”라고 다시 묻는다. 학생은 ‘아차!’ 싶은 표정을 짓는다. “만약에 이 과정에서 토끼들이 3일간 굶어도 죽지 않는다는 것을 보여줬다면 어땠을까요?”

학생들의 표정이 미묘하다. 구체적인 도움을 준다. “자, A와 B 농장에 토끼를 20마리씩 키워요. 모든 토끼는 3일간 충분히 살 수 있지만, 약을 먹은 토끼만 죽어요. 이 과정을 그림으 로 표현해보세요.”라고 한다. 시간을 충분히 주면 학생들은 사진과 같이 표현한다. 학습이 빠른 학생에게는 ‘실험에서 합리적인 결과는 단 하나의 조건만 달리하고, 나머지 요인은 모두 일정하게 유지하는 과정(변인통제)을 보증한다.’고 덧붙인다. 학생들은 이 과정(실험)에서 나타난 사실이 무엇인지 글로도 묘사한다. 누구나 인정할 수 있고, 실험으로 확인 가능한 사실이 결과라고 안내한다. 또한, 결과로부터 생각 (추론)할 수 있는 내용이 무엇인지 적는다. 가장 타당한 생각을 찾아내는 과정이 결론 도출이라고 안내한다. 학생들은 결과와 결론의 차이를 인지한다.

■ 적용 

학생들은 학습한 내용을 ‘우유가 상하는 상황’에 바로 적용한다. 이 과정에서 교사의 점검과 즉각적인 피드백은 학습한 내용에 대해 확신을 가지게하며, 교정학습을 촉진한다. 학습이 느린 학생에게는 ‘토끼가 죽은 과정’과 ‘우유가 상하는 과정’의 대응물을 찾고, 논리적으로 유사한 구조를 만들어 보도록 단계별로 도움을 준다. 자기 평가를 완료한 학생은 교과 내용(마찰력의 크기) 학습에 필요한 준비물인‘태양광 자동차’를 제작한다.

  

학습한 탐구기능을 다른 소재에 적용

태양빛을 받으면 움직이는 자동차 제작

    

교과 내용(마찰력의 크기) 학습

학생들은 본인이 제작한 태양광 자동차를 이용하여 마찰력의 크기에 대해 실험한다. 아스팔트와 흙 바닥에서 태양광 자동차가 5m 이동하는데 걸리는 시간을 측정하여 기록한다. 학생들은 ‘두 장소는 표면의 거칠기가 다르다.’는 사실을 쉽게 파악한다. 학생은 표면의 거칠기가 다른 두 장소에서 자동차의 속력을 계산한다. “두 장소에서 속력이 다른 이유는 무엇일까?” 학생들은 이 실험의 결론을 도출한다. 단어 힌트를 제공하는 것은 많은 도움이 된다. ‘마찰력의 크기는 표면이 거칠수록 크다.’는 사실을 이미 알고 있는 학생은 본 실험의 결과를 본인의 지식으로 설명해 버린다.‘ 흙은 마찰력이 크기 때문에 자동차의 속력이 느리다.’는 식이다. 이 학생에게는 결론이란‘ 실험을 통해 얻은 결과로부터 추론할 수 있는 내용을 확정적으로 진술하는 과정’이라고 안내한다. 학생은 본인의 결론과 ‘태양광 자동차가 표면이 거친 흙에서 느린것으로 보아 표면이 거칠면 마찰력이 크다.’는 문장을 비교하고, 성찰한다.

자동차가 아스팔트에서 5m 이동하는데 걸리는 시간 측정

자동차가 흙에서 5m 이동하는데 걸리는 시간 측정

수업 사례➋

•학습 주제 : 종이배에 작용하는 부력의 크기

•학습 목표 : 과학적 가설을 만들 수 있다.

탐구기능(가설설정) 습득 

“교실에서 친구가 울고 있어요. 이 친구는 왜 울까요?”학생들은“선생님께 혼났어요.”,“ 배가 많이 아파요.”,“ 시험을 망쳤어요.”, “친구와 싸웠어요”, “물건을 잃어 버렸어요.” 등 정말 다양한 답을 한다.“ 모두 그럴듯하네요. 우리는 친구가 우는 이유를 설명하기 위해서 그럴듯한 설명을 했어요. 과학도 똑같아요. 관찰된 현상을 설명하기 위해서 잠정적인 답(가설설정)을 해요.”

교과 내용(부력의 크기) 학습

교사는 종이배를 접어 물 위에 띄운다. 종이배 위에 각종 장난감을 올린다. 종이배는 금방 가라앉는다. “그런데, 강에 있는 배는 더 무거운 사람 이 올라타도 가라앉지 않아요. 왜 두 배에 작용하는 부력은 크기가 다를까요? 잠정적인 답을 해보세요.” 학생들은 ‘부력은 단단한 물체일수록 클 것이다.’,‘ 부력은 배의 크기가 클수록 클 것이다.’,‘ 부력은 바닥의 넓이가 넓을수록 클 것이다.’라고 답한다. 이 과정에서 과학적 가설은 실험을 통해 검증할 수 있어야만 한다는 사실을 안내한다. 학생들은 실험을 통해 검증할 수 있는 가설을 선별하고, 검증할 수 있는 방법도 제안한다. 학생들은 본인이 설정한 가설에 근거하 여 부력이 크게 작용하는 배를 만든다. 단, 배는 종이로 만들어야 함을 안내한다. 교사는 이를 통해 변인 중 일부를 통제한다. 학생들은 각자가 만든 배를 큰 대야에 띄우고, 공기알과 추를 얹으면서 부력이 가장 크게 작용하는 배를 찾는다. 실험 결과를 가설과 비교하여 바닥이 넓거나 크기가 큰 배에 부력이 크게 작용한다는 것을 파악한다. 본인 키보다 더 큰 배를 이고 온 학생을 보고 모두 박장대소했다. 그리고 이 학생은 1등 상품으로 대야를 받아갔다. 탐구기능 학습이 과학에 대해 흥미를 느끼게 했고, 문제해결력을 키웠다. 문제해결력은 미래 경쟁력이다. 탐구기능 중심 학습을 통해 미래 경쟁력을 키워야 할 것이다.

  

장난감을 많이 올린 종이배는 금방 가라 앉는다.

배에 작용하는 부력의 크기에 대한 가설과 검증 방법 제안하기

이재덕 선생님은 종암중학교에서 교사로 재직하며, 학생들이 과학적 탐구 과정을 쉽고 재미있게 습득하도록 끊임없이 노력한다. 학생들의 눈높이에 다가갈 뿐 만 아니라 도전감 있는 과제로 탐구심을 자극하고 있다.