과학 교육
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1. 개요
과학 교육은 물리적, 자연 세계를 탐구하는 학문으로, 역사적으로 영국 과학 진흥 협회의 보고서를 통해 중요성이 강조되었다. 과학 교육은 생물학, 화학, 물리학 등 다양한 분야로 나뉘며, 각 분야는 고유한 특징과 교육 방식을 가진다. 교육 방법론은 암기식 교육에서 벗어나 구성주의적 사고를 바탕으로 학생의 적극적인 참여와 탐구를 강조하는 방향으로 변화하고 있으며, 과학 교육 연구는 학습자의 사전 지식, 지식 구성, 메타인지 능력의 중요성을 밝히고 있다. 국가별 과학 교육 현황은 호주, 중국, 영국, 미국 등에서 각기 다른 방식으로 이루어지고 있으며, 비형식 과학 교육의 중요성 또한 강조되고 있다.
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2. 역사적 배경
영국 과학 진흥 협회(BAAS)는 1867년에 "순수 과학" 교육과 "과학적 사고 습관" 훈련을 강조하는 보고서를 발표했다.[2] 진보 교육 운동은 과학을 통한 정신 훈련을 지지했으며, BAAS는 중등 과학 교육에서 별도의 전문 훈련을 강조하여 미래의 BAAS 회원을 준비하고자 했다.
과학 교육의 초기 발전은 자격을 갖춘 교사 부족으로 인해 더뎠다. 1870년 최초의 런던 교육 위원회 설립과 훈련된 과학 교사 양성 과정 시작은 중요한 발전이었다. 토머스 헨리 헉슬리와 존 틴들은 이러한 움직임에 큰 영향을 미쳤다.[3]
미국에서는 1890년대 과학 교육 표준화 이전까지 산발적인 과학 교육이 이루어졌다.[4] 시민 과학과 전문 훈련이라는 두 가지 이념 사이의 오랜 논쟁 끝에 과학 커리큘럼이 점차 등장했다. 1892년 전미 교육 협회(NEA)는 하버드 대학교의 찰스 엘리엇을 의장으로 하는 위원회 10인을 임명하여, 중등학교에서 가르치는 주요 과목에 대한 주제별 위원회를 구성했다. 이 위원회에는 라틴어, 그리스어, 영어 연구, 기타 현대 언어, 수학, 역사, 시민 정부 및 정치 경제, 물리학, 천문학 및 화학, 자연사, 지리학 분야의 전문가들이 참여했다.[5] 1894년, NEA는 이 위원회의 작업 결과를 발표했다.[5]
위원회 10인에 따르면 고등학교의 목표는 모든 학생들이 삶에서 잘 해낼 수 있도록 준비하고, 일부 학생들은 대학에서 성공할 수 있도록 준비하는 것이었다.[6] 이 위원회는 정신 훈련에 초점을 맞춘 시민 과학 접근 방식을 지지했으며, 과학 연구 성과는 대학 입학 심사에서 고려하지 않았다.[7] BAAS는 영국에서 더 오래된 모델을 장려했다.[8]
미국은 다음과 같은 특징을 가진 커리큘럼을 채택했다.[5]
- 초등 과학은 "현장"에서 수행되는 실험을 통해 단순한 자연 현상(자연 연구)에 중점을 두어야 한다.
- 중등 과학은 실험실 작업과 위원회가 준비한 특정 실험 목록에 중점을 두어야 한다.
- 사실과 원리 교육
- 대학 준비
공유된 정신 훈련과 전문 훈련의 형식은 현재까지 커리큘럼을 일관되게 지배해 왔다. 그러나 인본주의적 접근 방식(예: 예술 (S.T.E.A.M.), 과학, 기술, 사회 및 환경 교육)을 포함하려는 움직임이 증가하고 있으며, 20세기 후반에 더 널리 시행되고 있다. 미국 과학 진흥 협회(AAAS)의 프로젝트 2061을 포함한 보고서와 과학 교육 표준 및 평가에 관한 국가 위원회는 교실 과학을 실제 적용 및 사회적 영향과 연결하는 과학 교육 목표를 제시한다.
3. 과학 교육의 분야
과학 교육은 일반적으로 생물학, 화학, 물리학의 세 가지 주요 분야로 나뉜다.[10]
- 생물학: 모든 생물의 구조, 기능, 유전, 진화를 연구한다.
- 화학: 물질의 조성, 구조, 성질 및 변화를 다룬다.
- 물리학: 물질과 에너지, 그리고 이들의 상호 작용을 다룬다.
또한, 과학의 본성에 대한 교육이 중요하며, 이는 점차 국가 교육 과정에 채택되고 있다.[10] 과학의 본성 교육은 과학이 인간 활동으로서 사회와 어떻게 상호작용하고, 과학자들이 어떤 연구를 수행하며, 과학 지식이 어떻게 만들어지고 공유되는지, 그리고 그 지식이 어떻게 발전하고 활용되는지를 탐구한다.
3. 1. 물리학 교육
물리학 교육은 물질과 에너지, 그리고 이들의 상호 작용을 다루는 과학을 연구하는 것으로 특징지어진다.[11]미국 물리학 교사 협회가 지지하는 프로그램인 물리 선행 교육(Physics First)은 9학년 학생들이 물리학 입문 과정을 수강하는 커리큘럼이다. 이 프로그램은 학생들의 물리학 이해를 높이고, 고등학교 생물학과 화학 수업에서 더 자세한 내용을 가르칠 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 또한, 미국의 고등학교에서 선택 과목인 12학년 물리학 또는 AP 물리학을 수강하는 학생 수를 늘리는 것을 목표로 한다.[22]
지난 20년 동안 미국의 고등학교 물리학 교육은 어려움을 겪어왔는데, 이는 많은 주에서 지구/물리 과학, 화학, 생물학으로 충족될 수 있는 세 가지 과학만을 요구하기 때문이다. 많은 학생이 고등학교에서 물리학을 수강하지 않아 대학에서 과학 관련 과목을 수강하는 데 어려움을 겪는다.
대학교/대학 수준에서는 적절한 기술 관련 프로젝트를 통해 비물리학 전공 학생들의 물리학 학습에 대한 관심을 불러일으키는 것이 성공적인 것으로 나타났다.[23] 이는 물리학과 사회적 이익 사이의 연결을 구축할 수 있는 잠재적 기회이다.
3. 2. 화학 교육
화학 교육은 물질의 조성, 구조, 성질, 그리고 물질이 겪는 변화를 다루는 과학 연구를 특징으로 한다.[12]
화학은 화학 물질과 원소, 그리고 그들의 영향과 속성에 대한 연구이다. 화학을 배우는 학생들은 주기율표를 배운다. 화학은 학생들이 세상의 문제들을 이해하도록 가르치기 때문에 학교에서 매우 중요한 과목이다. 아이들이 주변 세계에 관심을 갖기 때문에 화학 선생님은 학생들의 관심을 끌고, 나아가 학생들을 교육할 수 있다.[14] 화학은 매우 실용적인 과목이어서 수업 시간의 대부분은 실험을 하거나 완성하는 데 사용된다.
화학은 오늘날의 맥락에 맞춰 가르칠 필요가 있으며, 그렇지 않으면 현대의 지속 가능성 문제에 대한 충분한 이해를 키울 수 없다.[96]
3. 3. 생물학 교육
생물학 교육은 모든 생물의 구조, 기능, 유전, 진화를 연구하는 특징을 갖는다.[15] 생물학은 형태학, 생리학, 해부학, 행동, 기원 및 분포를 포함한 다양한 분야를 통해 살아있는 유기체를 연구하는 학문이다.[16]국가와 교육 수준에 따라 생물학을 가르치는 방법에는 여러 가지가 있다. 미국에서는 장기간에 걸쳐 생물학 관련 질문을 조사하고 분석하는 능력에 대한 강조가 커지고 있다.[17] 현재의 생물학 교육 표준은 1892년 대학 입학 전 학습을 표준화하기 위해 노력했던 10인 위원회(Committee of Ten)의 결정에 기초한다.[18] 위원회는 실험 작업을 통해 관찰에 중점을 두어 자연사(생물학)를 먼저 배우는 것의 중요성을 강조했다.
3. 4. 과학의 본성 교육
과학의 본성 교육은 과학이 인간 활동의 일부로서 사회와 어떻게 상호작용하고, 과학자들이 어떤 연구를 수행하며, 과학 지식이 어떻게 만들어지고 공유되는지, 그리고 그 지식이 어떻게 발전하고 활용되는지를 탐구한다.[10] 이는 과학이 가진 경험적인 본질과 과학 연구에서 사용되는 다양한 방법들을 강조한다. 과학의 본성 교육은 학생들이 과학적 주장과 유사 과학적 주장을 구별하고 평가하는 능력을 키우고, 과학 학습에 대한 동기를 부여하며, 더 나아가 과학 및 과학 관련 분야로 진출할 수 있도록 준비시키는 것을 목표로 한다.4. 교육 방법론
과학 교육에 대한 대중의 인식은 암기를 통해 사실을 배우는 것일 수 있지만, 최근 과학 교육은 과학 개념을 가르치고 학습자가 가질 수 있는 오개념을 다루는 데 집중하고 있다. 1980년대 이후 과학 교육은 구성주의적 사고의 영향을 크게 받았다.[22][23][24] 과학 교육의 구성주의는 학생들의 과학적 사고와 학습에 대한 광범위한 연구를 통해, 특히 교사가 어떻게 과학적 사고로의 개념 변화를 촉진할 수 있는지 탐구한다. 구성주의는 학습자의 적극적인 역할, 현재 지식과 이해의 중요성, 학습자에게 최적 수준의 지침을 제공하는 교육의 중요성을 강조한다.[25]
2007년 간행물 『과학적 교육』[27]은 과학적 교육의 세 가지 주요 원칙으로 능동적 학습, 평가, 다양성을 제시한다.
- '''능동적 학습''': 학생들이 학습에 적극적으로 참여하는 과정으로, 탐구 기반 학습, 협력 학습, 학생 중심 학습 등이 포함될 수 있다.
- '''평가''': 학습 목표에 대한 진척도와 달성을 측정하는 도구이다.
- '''다양성''': 각 학생, 학생 집단, 교육 경험을 고유하게 만드는 광범위한 차이를 의미하며, 교실 안의 학생, 강사, 내용, 교육 방법, 맥락 등 모든 것을 포함한다.
이러한 요소들은 교실에서의 교육적 및 교수학적 결정의 기초가 되어야 한다. "SCALE-UP" 학습 환경은 과학적 교수법을 적용한 사례이다. 존 듀이, 제롬 브루너 등 발견 학습을 주장한 다른 사람들과 함께, 아서 쾨슬러[29]는 안내된 발견 방식을 제안한다. 이 방식은 학생 스스로 과학의 기본적인 발견을 일부 하도록 유도하고, 과학의 길을 밝혀온 통찰력의 섬광을 자신의 마음속에서 경험하게 하는 것을 목표로 한다.[30][31]
5. 과학 교육 연구
과학 교육의 실천은 과학 교수 및 학습에 대한 연구에 의해 점점 더 영향을 받고 있다. 과학 교육 연구는 컴퓨터 과학, 인지 과학, 인지 심리학, 인류학과 같은 다양한 분야의 방법론에 의존한다. 존 D. 브랜스포드(John D. Bransford) 등은 학생 사고에 대한 연구를 통해 다음 세 가지 주요 결과를 제시했다.[32]
- 사전 개념: 사물이 어떻게 작동하는지에 대한 이전의 생각은 매우 끈질기다. 교사는 학생이 다른 설명을 선호하도록 오해를 재구성하려면 학생의 특정 오해를 명시적으로 다루어야 한다.
- 지식 구성: 과학 분야에서 진정으로 이해력을 갖추기 위해서는 학생이 (a) 사실적 지식의 깊은 기반을 가지고, (b) 개념적 틀의 맥락에서 사실과 아이디어를 이해하고, (c) 검색 및 적용을 용이하게 하는 방식으로 지식을 구성해야 한다.
- 메타인지: 학생들은 자신의 사고와 학습에 대해 생각함으로써 이점을 얻는다. 자신의 지식과 모르는 것을 평가하고, 사고방식을 평가하고, 결론을 평가하는 방법을 배워야 한다.
교육공학은 과학 교사의 특정 요구 사항을 충족하도록 개선되고 있다. 한 연구에 따르면, 모바일 기술이 과학 수업에서 학생의 참여와 동기를 높일 수 있다.[35]
2005년 과학 교수 및 학습에 대한 사회적 구성주의 연구에 따르면, 연구의 약 64%가 물리학 분야에서, 21%가 생물학 분야에서, 15%가 화학 분야에서 수행되었다.[36] 물리학이 지배적인 주된 이유는 물리학의 이해가 물리학의 특정한 본질 때문에 어려움을 포함하기 때문인 것으로 보인다.[37]
학생의 개념에 대한 연구에 따르면, 학생들은 물리학 수업에 가져오는 대부분의 사전 지도(일상) 아이디어가 유치원에서 고등 교육 수준에 이르기까지 달성해야 할 물리학 개념 및 원리와 매우 대조적이다.[38]
6. 국가별 과학 교육 현황
영국에서는 1850년 럭비 스쿨에 과학이 도입되면서 과학 교사라는 신분이 처음으로 나타났다. 윌리엄 샤프는 영국의 모든 퍼블릭 스쿨에서 과학 교육의 원형을 확립한 인물로 평가받는다.[79] 1867년 "과학 진흥을 위한 영국 아카데미"(BAAS영어)는 과학적 기질 함양과 순수 과학 교육을 장려하는 보고서를 발행했다.[81] 당시 BAAS는 지적 훈련과 전문 인력 양성을 위한 과학 교육을 모두 중시했다.
초기에는 수준 높은 교사가 부족하여 과학 교육 발전이 더뎠으나, 1870년 런던 교육 위원회(en|London School Board) 설립과 과학 교사 양성 과정이 만들어지면서 큰 발전이 이루어졌다. 토머스 헨리 헉슬리와 존 틴들이 이러한 움직임에 큰 영향을 미쳤다.[82]
미국에서는 1890년대 과학 교육 표준화가 시작되기 전까지 산발적으로 과학 과목이 가르쳐졌다.[83] 1892년 전미 교육 협회(en|National Education Association)(NEA)는 "십인 위원회"를 설치하여 중등 교육의 주요 교과 내용을 협의했다.[84][85] 십인 위원회는 9개의 협의 위원회를 소집했고, 과학 분야는 다음 세 가지로 구성되었다.[86]
십인 위원회는 지적 훈련을 중시하는 시민 과학 접근 방식을 지지했으며, 대학 입학 기준에서 과학 성적을 제외했다.[88] 또한 영국의 BAAS 모델을 참고했다.[89] 채택된 커리큘럼은 초등 교육에서 야외 실험, 중등 교육에서 실험 실습, 과학적 사실과 원리 교육, 대학 교육 준비를 강조했다.[86]
미국 과학 교육은 일반 시민을 위한 지적 훈련과 전문가 양성 교육을 병행하는 것을 골자로 삼아왔다. 20세기 말에는 STSE(Science, technology, society and environment) 교육과 같은 인도주의적인 접근 방식이 시도되어 널리 실시되었다.[90] 미국 과학 진흥 협회[91][92]와 "과학 교육 기준 및 평가에 관한 전미 위원회"[93]는 학교 과학과 실용적 기술, 사회적 함의를 연관시킨 교육 목표를 제시했다.
일본의 학교 교육에서는 초등학교 3학년부터 고등학교까지 '과학'이라는 교과를 통해 과학 교육이 이루어진다. 일본은 다른 나라의 과학 교육을 참고하면서도 일본 특유의 변천을 겪었다.[100]
6. 1. 오스트레일리아
오스트레일리아의 과학 교육은 11학년까지 의무이며, 학생들은 모든 과학 분야를 배운다. 11학년부터는 하나 이상의 과학 분야를 선택하여 공부할 수 있으며, 과학을 더 이상 공부하고 싶지 않다면 어떤 분야도 선택하지 않을 수 있다.[42] 호주 국립 커리큘럼 위원회(2009)는 과학 커리큘럼이 과학적 이해, 과학적 탐구 능력, 인간의 노력으로서의 과학이라는 세 가지 핵심 요소로 구성된다고 밝혔다.[42]지난 10년간 호주의 과학 교육은 과학에 대한 관심 감소라는 문제에 직면해 왔다.[43] 더 적은 수의 10학년 학생들이 11학년에 과학을 공부하는 것을 선택하고 있는데, 이는 학생들이 과학 분야의 경력을 쌓을 태도를 형성하는 시기이기 때문에 문제가 된다.[43] 이러한 문제는 오스트레일리아만의 문제는 아니며, 전 세계 여러 국가에서 발생하고 있다.
6. 2. 중국
중국은 2억 명이 넘는 학생들을 보유하여 세계 최대 규모의 교육 시스템을 가지고 있다. 그러나 교육의 질은 전형적인 교실에 50~70명의 학생들이 있기 때문에 어려움을 겪고 있으며, 단지 20%의 학생들만이 10년의 엄격한 정규 교육 과정을 마친다.[44]다른 많은 국가들과 마찬가지로, 중국의 과학 교육 과정은 물리학, 화학, 생물학의 순차적인 과정들을 포함한다. 과학 교육은 높은 우선 순위를 가지며, 과학자와 교사 위원회에 의해 구성된 교과서에 의해 주도된다. 중국의 과학 교육은 암기에 큰 중점을 두고 있으며, 문제 해결, 새로운 상황에 원리 적용, 해석 및 예측에는 훨씬 적은 관심을 기울인다.[44]
6. 3. 영국
잉글랜드와 웨일스 학교에서 과학은 국가 교육 과정의 필수 과목이며, 5세부터 16세까지의 모든 학생은 과학을 공부해야 한다. 일반적으로 고등학교까지 단일 과목 과학으로 가르치다가, 이후 A 레벨 (물리학, 화학, 생물학)로 분리된다. 그러나 영국 정부는 14세에 좋은 성적을 거둔 학생들에게 2008년 9월부터 3개의 개별 과학을 공부할 기회를 제공할 것을 희망한다고 밝혔다.[45]2006년 9월, "모든 14세에서 16세 사이의 학생들에게 가치 있고 영감을 주는 과학 경험을 제공"하기 위해 설계된 '21세기 과학'으로 알려진 새로운 과학 교육 과정이 영국의 학교에서 GCSE 선택 과목으로 도입되었다.[46] 2013년 11월, 학교의 과학에 대한 Ofsted의 조사[47]는 실질적인 과학 교육이 충분히 중요하게 여겨지지 않는다는 것을 밝혀냈다.[48]
6. 4. 미국
미국 여러 주에서 유치원부터 고등학교(K-12) 교육자들은 어떤 내용을 어느 연령대에 가르쳐야 하는지에 대한 엄격한 기준이나 프레임워크를 따라야 한다. 이 때문에 교사들은 내용을 제대로 가르치지 않고 서둘러 자료를 "다루는" 경향이 있으며, 과학적 방법과 비판적 사고와 같은 요소가 간과되는 경우가 많다.[49]1996년, 미국 국립 과학 아카데미는 전국 과학 교육 표준을 발표했으며, 이는 탐구 기반 과학에 대한 초점으로 논란의 여지가 있었다.[50] 일부 연구에 따르면 탐구 기반 과학이 과학 교육 모델로서 더 효과적이라고 한다.[51] 과학 교육 및 과학 표준에 대한 우려는 미국의 학생들이 국제 순위에서 뒤쳐진다는 걱정에서 비롯되는 경우가 많으며, 빌 게이츠와 같은 기업 리더들은 과학 교육에 더 많은 강조를 해야 한다고 촉구했다.[55]
2012년, 미국 과학 아카데미는 K-12 과학 교육을 체계적으로 구성하여 표준화하는 것을 목표로 하는 지침 프레임워크를 개발했다.[59] 2013년에는 1996년에 발표된 국가 표준을 업데이트한 새로운 과학 교육 표준인 차세대 과학 표준(NGSS)이 발표되었다. NGSS는 학문 분야 핵심 아이디어, 과학 및 공학 실천, 교차 개념의 세 가지 구성 요소로 구성되며, 과학적 방법에 대한 이해와 과학적 증거를 비판적으로 평가하는 능력을 강조한다.[63]
공통 핵심 기준 교육 표준은 읽기, 쓰기 및 의사 소통 기술을 강조하며, 과학적 글쓰기 이해는 학생들이 교과서를 통해 배워야 할 중요한 기술이 되었다.[64] 학생들은 교과서 학습보다는 직접 체험, 활동, 탐구 기반 학습을 통해 과학을 더 효과적으로 배운다는 증거가 있으며,[65] 실험실은 직접 체험, 활동 기반 학습의 기본적인 예시이다.[66] 과학 학습에서 계산 도구를 사용한 학습의 중요성이 증가하고 있으며, 차세대 과학 표준은 계산 도구 및 시뮬레이션의 사용을 구체적으로 언급하고 있다.[67] 실제적인 과학 학습 경험은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 학교에서 가르치는 다양한 과학 분야에 적용될 수 있다.[70]
6. 4. 1. 비형식 과학 교육
비형식 과학 교육은 박물관, 미디어, 지역 사회 기반 프로그램과 같이 공식적인 학교 교육 과정 외부에서 이루어지는 과학 교수 및 학습이다. 전미 과학 교사 협회(National Science Teachers Association)는 다양한 맥락과 평생에 걸쳐 과학 학습을 정의하고 장려하기 위해 비형식 과학 교육에 대한 입장을 발표했다.[71]비형식 과학 교육의 예로는 과학 센터, 과학 박물관, 새로운 디지털 학습 환경(예: 글로벌 챌린지 어워드) 등이 있으며, 이 중 다수는 과학 기술 센터 협회(Association of Science and Technology Centers, ASTC)의 회원이다.[74] 프랭클린 연구소(Franklin Institute)와 과학 박물관 (보스턴)은 미국에서 이러한 유형의 박물관 중 가장 오래되었다. 미디어에는 노바 (미국 TV 프로그램)(NOVA), 뉴턴의 사과, 빌 나이, 과학하는 남자, 비크먼의 세계, 마법의 버스, 드래곤플라이 TV와 같은 TV 프로그램이 포함된다. 지역 사회 기반 프로그램의 예로는 4-H 청소년 개발 프로그램, 핸즈 온 사이언스 아웃리치, NASA 및 방과 후 프로그램[75], 그리고 Girls at the Center가 있다. 가정 교육은 이전 (1940-1989) 씽즈 오브 사이언스 구독 서비스와 같은 교육 제품을 통해 장려되었다.[76]
2010년, 미국 국립 학술원은 국립 연구 위원회 연구인 '비형식 환경에서의 과학 학습: 사람, 장소, 활동'을 기반으로 '과학에 둘러싸이다: 비형식 환경에서의 과학 학습'을 발표했다.[77][78]
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