표제지

국문초록

목차

제1장 서론 14

제1절 연구의 필요성 14

1. 과학과 미학, 그리고 과학교육 14

2. 과학적 대칭성과 과학교육 19

제2절 연구의 목적 22

제2장 이론적 배경 23

제1절 과학과 가치 23

제2절 과학의 미학적 특성 31

1. 과학과 미학에 대한 역사적 고찰 31

2. 과학에서의 미학적 특성 41

제3절 과학의 미학적 특성과 과학의 본성 45

1. 과학의 본성 45

2. 과학의 미학적 특성과 과학의 본성 사이의 연관성 51

제3장 연구 방법 및 절차 54

제1절 과학적 대칭성에 대한 이론적 고찰 54

제2절 과학적 대칭성 교수학습 프로그램 개발 55

1. 연구 절차 55

2. 연구 대상 57

제3절 교수학습 프로그램의 효과성 분석 58

1. 마인드맵 사전-사후 분석 59

2. 과학에 대한 관점 및 정서 분석 61

3. 과학의 본성 인식에 대한 사전-사후 분석 61

4. 과학적 대칭성 교수학습 프로그램에 대한 학생들의 긍정 경험 분석 64

제4장 과학적 대칭성에 대한 이론적 고찰 66

제1절 이론적 고찰에 관한 초안 및 전문가 검토 66

1. 이론적 고찰과 과학의 본성과의 연관성 초안 66

2. 전문가 자문 의견 및 수정·보완 70

제2절 과학적 대칭성에 대한 이론적 고찰 72

1. 과학 사상사의 전형: 추상화 72

2. 고대 그리스에서의 대칭성 개념 75

3. 근현대에서의 대칭성 개념 81

4. 과학사 사례를 활용한 과학적 대칭성 해석 82

제3절 과학적 대칭성에 대한 이론적 고찰과 과학의 본성 93

1. 주관성과 이론 적재성 93

2. 과학지식의 잠정성 94

3. 과학과 사회·문화 95

4. 상상력과 창의성 96

5. 과학적 방법 97

제4절 종합 논의 97

제5장 과학적 대칭성 교수학습 프로그램 개발 100

제1절 학습자 및 내용 요소 분석(Analysis) 100

제2절 과학적 대칭성 교수학습 프로그램 설계(Design) 101

1. 전체적인 단계 및 차시 구성 101

2. 단계별 내용 요소 103

3. 교수학습 전략에 따른 인지·기능·태도적 학습 목표 111

제3절 과학적 대칭성 교수학습 프로그램 개발(Development) 120

1. 현장 교사 5인의 자문 의견 및 수정 보완 120

2. 파일럿 테스트를 통한 학생 피드백 의견 도출 및 수정 보완 127

3. 현장 교사 자문에 대한 학생 의견 및 수정 보완 129

4. 과학적 대칭성 교수학습 프로그램(현장 적용본) 개발 136

제4절 교육 실행 (Implemetation) 및 평가(Evaluation) 139

1. 과학적 대칭성 교수학습 프로그램(현장 적용본)에 대한 학생들의 반응 139

2. 과학적 대칭성 교수학습 프로그램(현장 적용본)에 대한 학생 피드백 141

3. 과학적 대칭성 교수학습 프로그램 최종 개발 144

제5절 종합 논의 149

제6장 과학적 대칭성 교수학습 프로그램의 효과성 분석 154

제1절 마인드맵 사전-사후 분석 154

제2절 학생들의 과학에 대한 관점·정서 분석 159

1. 학생들의 과학에 대한 관점 분석 160

2. 학생들의 과학에 대한 정서 분석 165

제3절 과학의 본성 인식에 대한 사전-사후 분석 170

1. Likert 5점 척도에 대한 대응 표본 t-검정 결과 170

2. 개방형 질문에 대한 응답 변화와 영향을 준 교수학습 과정 172

제4절 과학적 대칭성 교수학습 프로그램에 대한 학생들의 긍정 경험 분석 210

제5절 종합 논의 219

제7장 결론 및 제언 222

참고문헌 231

부록 252

[Appendix 1] Expert Questionnaire for Theoretical Study 252

[Appendix 2] In-Service Teacher Questionnaire for Developing Education Program 255

[Appendix 3] Education Program Feedback Questionnaire (Pilot Test & Filed) 259

[Appendix 4] SUSSI 검사지 262

[Appendix 5] Step 1: Recognizing Symmetry ① - Lesson Plan 267

[Appendix 6] Step 1: Recognizing Symmetry ① - Activity Sheet 270

[Appendix 7] Step 1: Recognizing Symmetry ① - Presentation 274

[Appendix 8] Step 2: Exploring the Traditional & Modern Science - Lesson Plan 278

[Appendix 9] Step 2: Exploring the Traditional & Modern Science - Activity Sheet ① 281

[Appendix 10] Step 2: Exploring the Traditional & Modern Science - Activity Sheet ② 286

[Appendix 11] Step 2: Exploring the Traditional & Modern Science - Activity Sheet ③ 290

[Appendix 12] Step 2: Exploring the Traditional & Modern Science - Activity Sheet ④ 294

[Appendix 13] Step 2: Exploring the Traditional & Modern Science - Presentation 298

[Appendix 14] Step 3: Recognizing Symmetry ② - Lesson Plan 303

[Appendix 15] Step 3: Recognizing Symmetry ② - Activity Sheet 305

[Appendix 16] Step 3: Recognizing Symmetry ② - Presentation 308

[Appendix 17] Step 4: Scientific Symmetry & Scientific Advancement - Lesson Plan 312

[Appendix 18] Step 4: Scientific Symmetry & Scientific Advancement - Activity Sheet 314

[Appendix 19] Step 4: Scientific Symmetry & Scientific Advancement - Presentation 318

Abstract 321

표목차

〈Table 1〉 Journal Information About Science Education With Aesthetic 16

〈Table 2〉 Aesthetic Features of Science 45

〈Table 3〉 Importance of Nature of Science 47

〈Table 4〉 Consensus View 50

〈Table 5〉 Research Procedure for Theoretical Study on Scientific Symmetry 55

〈Table 6〉 Research Procedure for Development of Education Model 58

〈Table 7〉 Mind-Map Scoring System 60

〈Table 8〉 Scoring Framework for SUSSI Open-Ended Questions 64

〈Table 9〉 Experts' Opinions for Theoretical Study of Scientific Symmetry 71

〈Table 10〉 Steps of Teaching and Learning Program for Scientific Symmetry: Draft Version 103

〈Table 11〉 Steps of Teaching and Learning Program for Scientific Symmetry 108

〈Table 12〉 Contents of Nature of Science 111

〈Table 13〉 Methods for Teaching and Learning 114

〈Table 14〉 Step 1 Teaching and Learning Setup: Draft Version 115

〈Table 15〉 Step 2 Teaching and Learning Setup: Draft Version 116

〈Table 16〉 Step 3 Teaching and Learning Setup: Draft Version 117

〈Table 17〉 Step 4 Teaching and Learning Setup: Draft Version 119

〈Table 18〉 Step 5 Teaching and Learning Setup: Draft Version 120

〈Table 19〉 Result of the Appropriate Assessment for Each Step 121

〈Table 20〉 Opinions of 5 In-Service Science Teachers: Step 1 122

〈Table 21〉 Opinions of 5 In-service Science Teachers: Step 2 123

〈Table 22〉 Opinions of 5 In-service Science Teachers: Step 3 124

〈Table 23〉 Opinions of 5 In-service Science Teachers: Step 4 125

〈Table 24〉 Opinions of 5 In-service Science Teachers: Step 5 126

〈Table 25〉 Feedback from Pilot Test: Opinions from 18 High School Students 128

〈Table 26〉 Result of Interview for Step 1 129

〈Table 27〉 Result of Interview for Step 3 132

〈Table 28〉 Result of Interview for Step 4 135

〈Table 29〉 Result of Interview for Step 5 136

〈Table 30〉 Feedback from Final Application 143

〈Table 31〉 Step 1 Teaching and Learning Setup: Final Version 145

〈Table 32〉 Step 2 Teaching and Learning Setup: Final Version 147

〈Table 33〉 Step 3 Teaching and Learning Setup: Final Version 148

〈Table 34〉 Step 4 Teaching and Learning Setup: Final Version 149

〈Table 35〉 Pre-Post Test Results of Mind-Map Score 154

〈Table 36〉 Mind-Map Analysis for Concept Domain 155

〈Table 37〉 Reason for not Writing a Definition: Physical Symmetry 157

〈Table 38〉 Reason for not Writing a Definition: Biological Symmetry 158

〈Table 39〉 Pre-Post Test Results of the Nature of Science Perception 170

〈Table 40〉 Pre-Post Test Results: Open-Ended Questions for Subjectivity & Theory Laden 172

〈Table 41〉 Words of each Group: Pre-Test for Subjectivity & Theory Laden 176

〈Table 42〉 Words of each Group: Post-Test for Subjectivity & Theory Laden 179

〈Table 43〉 Influenced Teaching and Learning Steps: Subjectivity & Theory Laden 180

〈Table 44〉 Pre-Post Test Results: Open-Ended Questions for Tentativeness 181

〈Table 45〉 Words of each Group: Pre-Test for Tentativeness 184

〈Table 46〉 Words of each Group: Post-Test for Tentativeness 187

〈Table 47〉 Influenced Teaching and Learning Steps: Tentativeness 188

〈Table 48〉 Pre-Post Test Results: Open-Ended Questions for Cultural & Social Embeddedness 188

〈Table 49〉 Words of each Group: Pre-Test for Cultural & Social Embeddedness 192

〈Table 50〉 Words of each Group: Post-Test for Cultural & Social Embeddedness 195

〈Table 51〉 Influenced Teaching and Learning Steps: Cultural & Social Embeddedness 196

〈Table 52〉 Pre-Post Test Results: Open-Ended Questions for Creativity & Imagination 197

〈Table 53〉 Words of each Group: Pre-Test for Creativity & Imagination 200

〈Table 54〉 Words of each Group: Post-Test for Creativity & Imagination 203

〈Table 55〉 Influenced Teaching and Learning Steps: Creativity & Imagination 203

〈Table 56〉 Pre-Post Test Results: Open-Ended Questions for the Myth of Scientific Method 204

〈Table 57〉 Words of each Group: Pre-Test for the Myth of Scientific Method 207

〈Table 58〉 Words of each Group: Post-Test for the Myth of Scientific Method 209

〈Table 59〉 Influenced Teaching and Learning Steps: The Myth of Scientific Method 209

〈Table 60〉 Opinions of Satisfaction with Aspects of the Teaching and Learning Strategy 214

〈Table 61〉 Opinions of Satisfaction with Aspects of the knowledge contents 218

그림목차

[Figure 1] Number of Articles per Year (1993-2022) 15

[Figure 2] Word Cloud of Keywords and Abstract 17

[Figure 3] Family Resemblance Approach of Nature of Science 18

[Figure 4] The Path to Recognize Aesthetic Features of Science 43

[Figure 5] Relationship Between Aesthetic of Science and Nature of Science 53

[Figure 6] Draft Version: Structure of Interpretation for Scientific Symmetry 69

[Figure 7] Abstraction 75

[Figure 8] Eratosthenes' Experiment 80

[Figure 9] Galilean Transformation 85

[Figure 10] Historical Interpretation of Symmetry for Heliocentrism 86

[Figure 11] Historical Interpretation of Symmetry for the Theory of Evolution 92

[Figure 12] Historical Interpretation of Symmetry in Heliocentrism and the Theory of Evolution 99

[Figure 13] Satisfaction Survey Result of Teaching and Learning Program 139

[Figure 14] Feedback Map 153

[Figure 15] Word Network of Pre-Test for Subjectivity & Theory Laden 173

[Figure 16] Word Network of Post-Test for Subjectivity & Theory Laden 177

[Figure 17] Word Network of Pre-Test for Tentativeness 182

[Figure 18] Word Network of Post-Test for Tentativeness 185

[Figure 19] Word Network of Pre-Test for Cultural & Social Embeddedness 189

[Figure 20] Word Network of Post-Test for Cultural & Social Embeddedness 192

[Figure 21] Word Network of Pre-Test for Creativity & Imagination 198

[Figure 22] Word Network of Post-Test for Creativity & Imagination 201

[Figure 23] Word Network of Pre-Test for the Myth of Scientific Method 205

[Figure 24] Word Network of Post-Test for the Myth of Scientific Method 207

 이 연구의 목적은 과학적 대칭성을 과학교육에 적용하는 데 활용할 수 있는 이론적·실제적 기반을 마련하는 것에 있다. 이를 위한 세부 연구 목표는 다음과 같다. 첫째, 과학적 대칭성이 무엇인지 이론적으로 고찰하고, 과학적 대칭성과 과학의 본 성과의 연관성을 밝히는 것이다. 둘째, 이론적 고찰을 바탕으로 ADDIE 모형에 따라 학교 현장에서 적용할 수 있는 과학적 대칭성 교수학습 프로그램을 진화론과 태양 중심설 및 관련 개념을 활용하여 개발하는 것이다. 셋째, 개발된 과학적 대칭성 교수학습 프로그램의 효과성을 3가지 측면에서 분석하는 것이다. 첫 번째 측면은 R 프로그램의 대응 표본 t 검정을 활용해 과학적 대칭성에 대한 마인드맵 사전-사후 점수를 비교하고, 이를 분석하는 것이다. 두 번째 측면은 과학적 대칭성이 학생들의 과학에 대한 관점과 정서에 어떤 영향을 주었는지 분석하는 것이다. 세 번째 측면은 SUSSI 검사지를 활용해 과학적 대칭성 교수학습 프로그램 경험 전과 후 과학의 본성에 대한 인식이 어떻게 변화하였는지 분석하는 것이다.

연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 과학적 대칭성에 대해 이론적 고찰을 시행한 결과, 물리학에서의 과학적 대칭성을 '서로 다를 것 같았던 두 물체나 상황이 수학적 변환에 의하여 동등성을 가지는 것'으로 정의하였으며 물리학과 과학철학에서 활용하는 동등성의 개념을 중심으로 생명과학에서의 과학적 대칭성을 '서로 다를 것 같았던 대상이나 상황이 생명과학적 법칙이나 이론에 의하여 동등성을 가지는 것'으로 정의하였다. 또한, 이론적 고찰 결과를 과학의 본성 중 합의된 관점 요소 5가지와 연관 지어 과학의 본성 교육에 활용할 수 있는 이론적 배경을 마련하였다.

둘째, 과학적 대칭성을 학습할 수 있는 교수학습 프로그램이 개발되었다. 최종 개발된 교수학습 프로그램은 총 7차시로, 1차시와 2차시 두 개 차시로 구성된 1단계 대칭성 인식하기(Recognizing Symmetry) ①, 3차시와 4차시 두 개 차시로 구성된 2단계 전통 및 근현대 과학 탐구하기(Exploring the Traditional & Modern Science), 5차시와 6차시 두 개 차시로 구성된 3단계 대칭성 인식하기(Recongnizing Symmetry) ②, 7차시 1개 차시로 구성된 4단계 대칭성과 과학적 발전(Symmetry & Scientific Advancement)으로 최종 개발되었다.

효과성 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 마인드맵 분석 결과, 과학적 대칭성 교수 학습 프로그램은 과학적 대칭성과 그 연관 개념을 학습하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 둘째, 과학적 대칭성에 대한 학습 기회가 과학에 대해 깊이 고찰해 보는 계기를 마련해 주는 등 과학에 대한 긍정적인 관점과 정서 함양에 도움이 되는 것으로 나타났다. 셋째, 과학적 대칭성은 과학의 본성 학습에서도 효과적으로 기능할 수 있음을 보였다. 또한, 이 연구에서 개발된 과학적 대칭성 교수학습 프로그램은 교수 학습 전략, 방법 등에서 학생들에게 만족할 만한 경험을 주었으며, 여러 과학자에 대한 학습이나 기존에 알고 있던 과학적 이론을 자세히 탐구하는 기회 등을 학생들에게 제공한 것으로 나타났다.

마지막으로, 본 연구의 제언점은 다음과 같다. 첫째, 과학적 대칭성을 비롯한 과학의 미학적 특성은 과학철학의 분야로 여겨지는데, 과학철학적 요소를 과학 교수 학습에 적용하기 위해서는 예비 교사 양성 과정이나 현장 교사 연수를 통해 과학철학에 대한 접근 기회를 늘리고, 그 중요성에 대해 인식할 수 있도록 해야 한다. 둘째, 최근 개정된 2022 교육과정의 경우 과학의 미학적 특성을 활용할 수 있는 교과인 『과학의 역사와 문화』 교과를 신설하였는데, 교육과정과 연계한 다양한 교수 학습 접근법이 명시적으로 제공되어야 할 필요가 있다. 마지막으로, 과학교육자, 과학철학자, 그리고 과학자가 과학적 대칭성과 같은 과학의 핵심 원리를 학생들이 학습할 수 있도록 협력해야 한다.