초등학생의 부력 개념 이해를 위한 수압측정 장치 개발에 대한 연구

Abstract

이 연구의 목적은 초등교육현장에서 교사와 학생들이 부력과 압력에 대한 개념을 학습함에 있어 많은 어려움을 느끼고 있다고 판단되어 이를 효과적으로 돕고자 하였다. 이를 위하여 학생들의 효과적인 부력 개념 형성을 돕기 위해 구성주의적 관점에서 본 단원의 학습 순서를 재구성하였으며, 재구성된 교육과정을 효과적으로 수행해 나가기 위해 여러 가지 실험 자료들을 연구 개발함으로써 현행 교육과정의 학습 내용을 수정·보완하였다. 현행 초등교과서에 있는 pet병을 이용한 실험에서는 ‘수압은 깊을수록 크고, 얕을수록 작다’는 개념까지만 학생들에게 지도되는데, 이러한 실험은 부력을 발생시키는 원인이 수압에 있음을 학생들에게 인식시키는데에는 한계가 있다. 이러한 한계를 해결하기 위하여 본 연구에서는 ‘물 속에서 물체에 가해지는 상하 수압차에 의해 물체가 뜨거나 가벼워진다’는 원리를 학생들에게 쉽게 이해시킬 수 있도록 실험 장치를 개발하여 학생들의 학업 성취도를 높혔다. 부력 실험 장치는 단계적으로 학습하기 위해 총 4종류(1. 부력 개념 이해를 위한 수압 측정 장치, 2. 수압차에 의한 부력 시각화 장치, 3. 깊이에 따른 수압측정 장치, 4. 부력 측정 장치)로 수압과 부력에 대한 개념 형성과 이들의 상관관계를 쉽게 이해할 수 있도록 하였다. 이렇게 개발된 실험 자료들을 교육현장에 비교반과 실험반을 두어 직접 투입해 보고, 학습목표도달도, 실험소요시간, 실험 기구의 편리성 측면에서 그 효과를 검증해 보았다. 그 결과, 개발한 자료의 효과를 학생 측면에서 살펴보면, 현행 교육과정에 의해 수업을 실시한 비교반보다는 실험반이 부력과 수압에 대한 개념을 보다 정확하게 이해하였으며, 학업성취도 면에서도 더욱 우수한 결과를 가져왔다. 또한 새롭게 개발된 실험 기구들은 조작이 편리하여 학생들의 수업참여도와 과학적 호기심을 높이려는 과학과의 목표에 부합하였으며, 관찰과 측정이 가능하도록 개발된 실험 기구들은 과학적으로 탐구하는 능력을 기르는데 밑받침이 되었다. 그리고 구체물을 이용하여 개발된 실험 기구들은 과학의 기본 개념을 이해하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 이를 실생활에 적용하여 사고능력의 확장을 가져올 수 있었다. 교사 측면에서 나타난 자료의 효과를 살펴보면, 재구성된 교육과정은 수압의 원리를 자연스럽게 부력으로 연결시켜줌으로써 수업의 진행을 원활하게 하였고, 수압에 적용한 원리를 그대로 부력에도 적용하려는 지도의 오류를 사전에 방지할 수 있었다. 그리고 수압과 부력에 대한 다양한 지도 자료가 제공되므로 교사의 교수·학습 지도 방법을 개선할 수 있었고, 교재 연구 및 학습 자료를 구성하고 제작하는데 드는 시간과 노력이 경감되었다. 이렇게 개발된 자료는 기존 실험 기구에 비해 학습목표 도달도, 편리성, 경제성 등 모든 면에서 장점을 가지고 있기 때문에 과학과 실험의 질을 개선하는데 상당한 효과가 있어 학교교육 현장에 일반화의 가능성이 용이하다고 할 수 있겠다.

To understand the buoyancy concept using water pressure experiment in elementary school, 4 experimental apparatuses were invented as (1) water pressure gauge for buoyancy concept, (2) visualized apparatus of buoyancy by water pressure difference, (3) water pressure gauge with depth, and (4) buoyancy gauge. These experiments are accomplished according to the order. As a result, buoyancy has related with pressure and it was affected by the water pressure difference, especially. By the visualized experiment in elementary school, wrong buoyancy concept between water depth and water pressure can be easily explained and solved. These experimental apparatuses were very helpful to improve not only student's buoyancy concept using water pressure difference but also teacher's teaching on the relationship between buoyancy and pressure. In addition, these experiments in order will also make students to try and apply what they learn in school to their daily life by expanding their scientific thought. Therefore, if these invented materials are applied to the science education curriculum, the long term goal of elementary science will be efficiently achieved.