What Characteristics Do Preservice Teachers Show During Trilobite Classification Activities?

예비교사들은 삼엽충 분류활동 중에 어떤 특성을 보이는가?

Abstract

This study was to analyze the inquiry characteristics of preservice teachers as they classify trilobites. For the study, 70 preservice teachers attending teacher training university participated. The classification tasks used in the study were 9 photos of trilobite fossils. The preservice teachers' inquiry activity was to classify the evolutionary processes of trilobites after observing trilobite fossils by group and then to construct a phylogenetic tree. The results of the study are as follows. First, preservice teachers observed the external features of the trilobites and constructed systematic classification results based on their observed contents. Second, preservice teachers classified trilobites using various classification criteria. Third, the phylogenetic tree of preservice teachers and the phylogenetic tree of scientists were very similar. The preservice teachers constructed a sphylogenetic tree based on the observation and inference of the change from a simple form to a complex form, which is a general evolution process of the trilobite fossil claimed by scientists. These results suggest that group-based inquiry activities with sufficient time are very effective and that the experience of inquiry activities is very important for preservice teachers.

이 연구는 예비교사들이 삼엽충을 분류하면서 보이는 탐구 특성을 분석하는 것이다. 연구를 위해 교사 양성 대학에 다니는 예비교사 70명이 참여하였다. 연구에 이용된 분류 과제는 삼엽충 화석 사진 9장이었다. 예비교사들의 탐구활동은 그룹별로 삼엽충 화석을 관찰한 후 삼엽충의 진화 과정을 분류한 후 계통도를 구성하는 것이었다. 구체적인 연구결과는 다음과 같다. 첫째, 예비교사들은 삼엽충의 외형적인 특징을 잘 관찰해내고 그 내용을 바탕으로 체계적인 분류 결과를 도출하였다. 둘째, 예비교사들은 다양한 분류 기준을 사용하여 삼엽충을 분류하였다. 셋째, 예비교사들의 계통도와 과학자들의 계통도는 매우 유사하였다. 예비 교사들은 과학자들이 주장하는 삼엽충 화석의 일반적인 진화 과정인 단순한 형태에서 복잡한 형태로의 변화를 관찰과 추리를 통해 분석해낸 후 이를 근거로 계통도를 구성하였다. 이러한 결과는 충분한 시간이 제공되는 그룹별 탐구활동이 매우 효과적이며 예비교사들에게 탐구 활동에 대한 경험이 매우 중요함을 다시 한 번 시사해주었다.

Ⅰ. 서론

우리나라의 경우 과학교과에서는 제 3차 교육과정 이후 지속적으로 ‘과학 탐구’를 강조해오고 있으며, 최근 2007 개정 교육과정부터 교과서에 과학 탐구의 내용이 명시적으로 제시되고 있다. 또한 최근 발행된 2015 개정 교육과정에서는 과학 탐구가 각 학년의 1단원에 배치되어 교사로 하여금 학생들에게 지도하게 되어 있다(교육부, 2018). 이러한 점을 보더라도 초등학교 교사에게 있어서 과학 탐구에 대한 이해는 매우 중요하다고 할 수 있다. 그러나 초등학교 교사들의 경우 과학 탐구에 대한 이해부족으로 탐구 지도에 어려움을 겪는 것으로 보고되고 있다(조현준 외, 2008; Appleton, 2006; Asay & Orgill, 2010; Ireland et al., 2014; Richardson, 2005).

교육과정이 학교 현장에 성공적으로 정착하기 위해서는 무엇보다도 교사의 교육과정에 대한 이해 및 과학 내용에 대한 이해와 같은 전문성이 확보되어야 한다(곽영순, 2006; 서혜애, 2010; 최영 외, 2010; Fishman et al., 2003; Inoue, 2009). 더불어 앞으로 교사가 되기 위해 준비 중인 예비교사에게도 이와 같은 전문성을 갖추도록 해야 하는 것은 당연한 일이다(Windschitl etal., 2008). 이러한 예비교사들의 과학에 대한 이해 부족은 나아가 현장 교육에도 영향을 미칠 수 있는 중요한 변인이기 때문이다. 그러나 많은 선행 연구에서는 예비교사들의 과학 내용 및 수업 활동에 대한 이해에 대해 우려를 나타내고 있다. 국내 연구를 바탕으로 살펴보면, 임성만 외(2010)는 자유탐구 활동을 경험한 초등 예비교사의 어려움 조사 연구에서 초등 예비교사들은 특히 주제 선정과 탐구 과정의 이해부족으로 인해 많은 어려움을 겪는 것으로 보고했으며, 더불어 탐구에 대한 경험이 과학학습에 대한 이해 및 과학 교과에 대한 긍정적 인식을 갖는데 영향을 미칠 수 있다고 보고하였다. 이러한 예비교사들의 탐구에 대한 경험은 예비교사들의 과학 탐구지도능력 향상에 도움이 된다(이상균과 김순식, 2014; Anderson, 2002; Windschitl & Thompson, 2006).

예비교사들의 과학에 대한 인식론적 신념을 연구한 윤혜경 외(2015)의 연구에서는 예비교사들이 ‘과학 지식’, ‘과학 학습’, ‘과학 교수’ 세 가지 상황에서 일관적인 신념을 보이는 경우가 극히 적었다고 보고하였다. 즉 예비교사들이 가지고 있는 과학에 대한 인식론적 신념이 정확하게 정립되어 있지 않다는 방증이라고 할 수 있다. 또 전경문(2017)은 초등학교 예비교사들을 대상으로 한 과학 실천의 측면에서의 과학 탐구에 대한 인식 조사에서 초등학교 예비교사들은 과학 탐구 수업활동에 대한 수준이 대부분 K-2학년군의 세부 실천에 해당되는 것만 언급하였으며, 과학자들의 증거에 입각한 논증하기와 같은 측면에 대해서는 인식이 부족한 것으로 보고하였다. 이와 더불어 최근 보고된 연구들은 교사 양성 과정에서부터 예비교사들의 교과내용학적 지식(PCK) 및 실천적 지식을 신장시켜야 한다고 주장하고 있다(곽한영, 2006; 이선경 외, 2009; 이지현, 2009; 임성만, 2017; Niess & Scholz, 1999). 또한 탐구에 대한 교사들의 경험 부족이 예비교사 때의 과학교육과 관련이 많다는 지적이 있다(Windschitl & Thompson, 2006). 이에 대한 논의도 필요하리라 여겨지며 앞으로 연구 결과를 바탕으로 논의하고자 한다.

한편, 이번 연구에서 주목하는 것은 과학탐구 활동 중 분류 활동이다. 분류는 관찰할 수 있는 공통된 속성, 특성에 기초하여 대상을 함께 묶거나 순서를 정하는 지적 능력을 말한다(임인숙, 1994; 최현동, 2005). Piaget의 연구에 따르면, 분류는 학생들의 인지적 발달을 알 수 있는 분명한 지표의 역할을 한다(Adey & Shayer, 1981: Krnel et al., 2003). 분류능력의 배양은 과학 교육과정에서 학생들이 달성해야 할 기본적인 목표 중의 하나로 설정되어 있으며, 과학 탐구과정 요소로서 매우 중요하게 다루어지고 있다(교육부, 2018; NRC, 2012). 또 Norris(1984)에 의하면, 관찰은 과학적인 탐구활동의 가장 기초적인 활동이며, 특히 분류활동에서는 관찰능력이 전체 분류 체제를 가늠할 정도로 큰 역할을 하고 있다. 더불어 분류는 가장 기본적이면서도 강력한 과학 도구로 어떤 주제를 연구하기 위해 시작하는 방법이며, 극적인 통찰로 나아가는 길(Seeds, 2006)로 오랫동안 인지적 과정의 측면에서 중요하게 인식되어 왔다(Kaur, 1973). 이러한 관점에서 분류 활동을 통해 예비교사들의 관찰과 분류와 같은 기초적인 탐구 능력을 발휘하는 과정과 능력을 분석해볼 수 있으리라 기대한다.

이번 연구에 이용되는 분류 과제는 ‘삼엽충 화석’이다. 또한 기존 예비교사를 대상으로 분류활동을 연구했던 양일호와 최현동(2008)의 연구는 분류의 학습 계열(양일호 외, 2006) 상 2분법을 ‘다단계 분류’단계에 해당되나, 이번 연구는 분류의 학습 계열의 마지막인 ‘서열화하기’ 활동을 분류 과제로 설정하였다. ‘서열화하기’는 물체들을 대상으로 순서를 정할 수 있는 성질을 확인하고, 그것에 따라 일련의 순서를 정하는 것(양일호 외, 2006)으로 생명과학의 계통도를 구성하는 활동과 유사하다.

이번 연구의 구체적인 연구 문제는 ‘첫째, 그룹으로 이루어진 예비교사들의 삼엽충 분류 활동에서 보이는 관찰 특성은 어떠한가? 둘째, 예비교사들의 분류 활동 결과에서 보이는 분류 기준의 속성은 어떠한가? 셋째, 삼엽충 화석을 분류하면서 예비교사들이 작성한 삼엽충 계통도와 과학자들에 의해서 구성된 계통도의 차이는 어떠한가?’ 이다. 이 연구를 통해 우리는 예비교사들의 관찰 관점 및 분류 관점을 더 잘 이해할 수 있을것이며, 또 교사 양성 과정 및 교사 대상 과학교육 연수 프로그램에서 이루어지는 과학 탐구 활동 형태나 구성에 구체적인 도움을 줄 수 있으리라 생각한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구 대상

예비교사들이 삼엽충 분류 활동에서 보이는 특성을 분석하기 위해 초등교원 양성 대학에 다니는 2학년 학생 70명을 연구대상으로 하였다. 연구대상인 초등예비교사 70명은 초등과학교육과 관련된 내용을 수강하는 학생들이었다. 초등교원 양성대학의 특성을 반영하듯 대부분의 예비교사들은 고교시절 문과계열의 학생들이었으며 1개 그룹인 3명의 예비교사만이 과학 쪽이라고 할 수 있는 수학 심화 전공이었다.

2. 투입과제

예비교사들의 분류 활동에 투입한 과제는 ‘삼엽충(trilobite)’ 과제이다(Fig. 1). 이 과제는 임성만(2014)이 개발한 과학 탐구 프로그램에 포함된 것으로 과학적인 분류 활동을 경험하게 하는데 목적이 있다. 삼엽충 분류 활동 과제는 Fig. 1과 같이 삼엽충 9마리로 구성되어 있으며, 크기는 고려하지 않고 각각 다른 형태인 삼엽충이었다.

Fig. 1. Classification task(trilobites)

3. 자료수집 및 분석투입과제

자료수집은 예비교사들을 대상으로 이루어지는 초등과학교육론 강좌의 과학탐구과정 요소와 관련된 활동을 통해 이루어졌다. 예비교사들을 2~3명으로 그룹을 나눈 후 Fig. 1과 같은 삼엽충 화석이 인쇄된 종이를 나눠주고 그룹원들과 토의를 통해서 삼엽충의 진화계통도를 작성해보도록 하였다. 단 계통도를 작성할 때 진화하게 된 이유를 적어 넣도록 요구하였다. 생명과학에서는 진화를 목적론적으로 해석하는 것을 경계한다. 그럼에도 이번 분류 활동은 목적론적인 해석 보다는 예비교사들의 관찰과 추리를 통해 분류 활동 결과를 확인하는 데 목적이 있으므로 이 부분은 연구의 제한점인 동시에 논외로 처리하였다.

탐구활동 중 예비교사들은 인터넷은 물론 휴대폰을 이용한 검색을 하지 않도록 하였으며, 오로지 예비교사들의 기존 경험적 지식 및 관찰 내용에 의존하여 분류활동을 하도록 안내하였다. 예비교사 70명은 총 29개 그룹(A~Z, a~c그룹)으로 나누어졌으며, 각 그룹마다 삼엽충의 계통도 1장이 작성되었다. 예비교사들이 작성한 삼엽충 계통도는 Fig. 2와 같다. 최종적으로 수집한 삼엽충 계통도는 총 29장이었다.

수집된 자료의 분석은 1차적으로 분류하는 과정에서 나타난 예비교사들의 관찰 특성을 파악하고, 그 이후에는 양일호와 최현동(2008)의 연구에서 구성한 분류 기준의 속성에 따라 예비교사들이 사용한 분류 기준을 분석하였다(Fig. 3). 분류 기준의 속성은 여섯 가지로 구성되어 있는데 크게 질적 숙성, 차원 속성으로 구분되어 있으며, 세부적으로 질적 속성에는 세부 특징, 무선 영역, 추상적 이미지, 이차 속성이 포함되고, 차원 속성에는 양적 속성과 공간 속성이 포함되어 있다. 구체적으로 세부 특징은 대상이 보유하거나 보유하지 않은 성분을 말한다. 무선 영역은 구체적으로 확인하기 어려운 대상이나 대상의 속성에 대하여 관찰을 통해 얻은 정보를 이용해 예상하는 것을 말한다. 추상적 이미지는 대상의 전체 또는 일부분의 모양을 자신의 경험에 비추어 추상화하여 이미지로 표상하는 것이다. 이차 속성은 일차 속성이 다중 감각에 의해 인식되는 것으로 모양, 크기, 운동, 방향 등과 같은 것인 반면에 한 가지 감각으로만 인식되어 지은 관찰자-의존적인 색깔, 맛, 냄새, 촉감 등이다(Connell, 2007). 양적 속성은 수량, 크기, 넓이와 같은 정량적인 비교가 이루어지는 것을 말한다. 공간적 속성은 방향, 위치와 같은 질적 속성을 말한다.

또 예비 초등교사가 작성한 계통도와 전문가인 고생물학자들에 의해 구성된 삼엽충 계통도(Sotelo et al., 2017)를 비교해보았다. Sotelo et al.(2017)에 의해 작성된 삼엽충 계통도는 동물 생물학을 전공하는 학생들의 테스트용으로 개발된 것으로 삼엽충 15개 종류의 계통발생을 분류해놓은 것이다(Fig. 4). 예비교사들이 작성한 것과 과학자가 작성한 것을 비교하여 예비교사들의 분류 관점이 과학자의 분류 관점과 어느 정도 유사한지, 그리고 과학적인지를 분석하였다.

Fig. 2. The phylogenetic tree prepared by the preservice teacher group

Fig. 3. Classification criteria

Fig. 4. A phylogenetic tree of trilobites constructed by experts

Ⅲ. 연구 결과

1. 그룹으로 이루어진 분류 활동에서 보이는 특성

예비교사들의 삼엽충 분류 활동은 그룹으로 이루어졌다. 단독으로 이루어지는 분류 활동에 비해 그룹으로 이루어진 이번 분류 활동의 결과는 매우 수준이 높았다. 이번 활동은 삼엽충화석의 외형을 관찰하여 얻은 관찰 특성을 바탕으로 삼엽충을 나열한 후 삼엽충의 진화 과정을 논리적으로 추리하여 계통도를 만드는 것이 최종 과제였다. 그룹별로 제출된 삼엽충 분류 활동 결과인 계통도는 매우 조직적이었으며, 구조화되어 있었다. 또한 관찰 특성을 바탕으로 수준 높은 추리를 하고 있었다. 후에 논의하겠지만 29개 그룹 모두 구조화된 계통도를 제시하였으며, 그중 23개의 그룹이 과학자들이 주장하는 삼엽충의 진화 과정인 단순한 구조에서 복잡한 구조로의 변화 양상과 유사하게 계통도를 구성하였다. 나머지 6개 그룹 중 4개의 그룹은 앞서 이야기한 23개의 그룹과는 반대로 복잡한 구조에서 단순한 구조로 바뀌는 계통도를 구성하였다. 또 나머지 2개 그룹은 앞선 27개 그룹과는 다르게 일반적인 변화양상을 보이지 않았다.

예비교사들은 1시간 동안 이루어진 분류 활동 내내 서로 의견을 주고받으며, 다양한 시도를 하는 것이 목격되었다. 예컨대 Fig. 5에서도 볼 수 있는 것과 같이, 결과물에는 많은 양의 관찰 내용과 관찰 내용에 바탕을 둔 진화 과정에 대한 글이 작성된 것을 볼 수 있다. 이러한 점은 혼자 하는 분류 활동 보다 그룹으로 하는 분류 활동이 서로의 의견 교환은 물론 분류 활동 결과물의 수준을 높이는데 매우 효과적이라는 것을 보여주는 방증이다.

삼엽충은 가장 오래된 절지동물 중 하나로 멸종된 해양 절지동물이다(Lieberman, 2002). 예비교사들은 삼엽충 화석을 관찰하며 삼엽충의 생활 형태를 바탕으로 분류하는 특성을 보였다. 예비교사들은 Fig. 6에서 볼 수 있는 것과 같이 삼엽충을 관찰하면서 삼엽충의 수중 생활에 대해 언급하는 특징을 보였다. 예비교사들은 삼엽충이라는 화석에 대해서는 중・고교 시절 과학교과 시간에 학습한 바가 있다. 예비교사들의 대부분은 삼엽충이 어떤 생물이고 어떤 생활을 했는지에 대해서는 기억하고 있지 않았다. 분류활동 과정에서 이러한 내용에 대해서 교수자에게 자주 질문을 하였으나, 일체의 정보를 제공하지지 않았다. 그럼에도 불구하고 예비교사들은 생김새 관찰을 통해 삼엽충의 수중생활을 추리해내었다.

실제 삼엽충은 다양한 생활을 했을 것이라 추정되는데, 어떤 종류는 포식자로서 바다의 밑바닥에서 생활을 하고, 또 어떤 종류는 플랑크톤을 먹이로 하며 밑바닥이 아닌 수중 환경에서 생활을 했을 것으로 추정된다(Fortey, 2004).

Fig. 5. Examples of classification activities by preservice teachers

Fig. 6. Observations on the underwater life of trilobites

2. 예비교사들이 사용한 분류 기준

예비교사들은 삼엽충을 분류할 때 외형과 외형의 변화를 중심으로 분류하였다. 삼엽충의 외형과 관련된 특성은 Fig. 7에서 볼 수 있듯이 머리, 가슴, 꼬리의 세부분으로 구분되며, 특히 가슴은 여러 개의 마디로 이루어져 있다. 또 머리는 눈이 발달되어 있다. 삼엽충이라고 이름이 붙여진 이유는 등껍질의 중앙이 불룩하게 솟아나 있는데, 이것을 중심으로 세로로 3 부분으로 나누어져 세 엽을 구성되어 있기 때문이다.

Fig. 7. Anatomical structure of trilobites(Fortey, 2007)

예비교사들은 앞서 언급한 외형의 특징을 중심으로 분류하였다. 예비교사들이 사용한 분류 기준을 양일호와 최현동(2008)의 연구에서 구성한 분류 기준의 속성에 따라 정리하면 Table 1과 같다. 예비교사들은 분류기준의 속성 6가지 중 무선 영역, 이차 속성, 공간적속성을 제외한 세부 특징, 추상적 이미지, 이차 속성과 같은 3가지 속성을 가지고 분류한 것을 확인할 수 있었다. 기존 양일호와 최현동(2008)의 연구와 최현동(2011)의 연구와 비교하여 이번 연구에서 무선 영역, 이차 속성, 공간적 속성과 같은 분류 기준의 속성이 나타나지 않은 것은 이번 연구의 투입 과제인 삼엽충이 기존 연구에서 투입한 과제(조개, 화석, 눈결정, 은하)에 비해 형태가 다양하고 복잡한 구조를 하고 있으며, 무선 영역에 속하는 예상 활동, 이차 속성에 속하는 색깔, 맛, 냄새, 촉감과 같은 특징을 관찰할 수 없는 과제로 판단된다. 그러나 삼엽충 화석이 외형적 특성에서 구조의 방향과 위치와 관련된 속성인 공간적 속성이 드러나나 예비교사들은 언급하지 않고 있었다. 주어진 과제의 특성과 과제에 대해 외형적으로 눈에 띄는 속성만을 관찰한 결과로 여겨진다.

Table 1. Preservice teachers' classification criteria

구체적으로 세부 특징에 관해서는 단순한 형태에서 복잡한 형태로 변하는 전체적인 구조와 특정 부위의 특징이라고 할 수 있는 꼬리의 돌출 유무를 가지고 분류하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 분류 활동은 분류 과제 해결을 위한 기본적인 분류 활동일 뿐만 아니라, 계통도와 같은 분류 체제를 만드는 활동을 위한 첫번째 단계라고 할 수 있다. 다만 분류체제를 만들기 위해서는 관찰되는 속성과 함께 예상이나 추리하는 내용이 포함될 필요가 있다. Fig. 8의 그룹 C의 분류 활동결과를 보면, 이 그룹은 분류 기준 속성 중 관찰되는 세부 특징에 따라 모두 분류한 것을 볼 수 있다. 과학에서 사용하는 2분법을 사용하여 다단계로 분류한 결과이다. 계통도와 같은 분류 체제 구성을 위한 기초 단계라고 할 수 있다.

Fig. 8. The result of group C's classification activities

분류 기준의 속성인 추상적 이미지과 관련된 예비교사들의 분류 활동 결과를 보면, 관찰 결과를 근거로 골격 구조의 변화, 꼬리의 변화, 머리 모양의 변화, 그리고 가시의 발달을 분류 기준으로 구성한 것을 확인할 수 있었다. 추상적 이미지라는 속성이 관찰을 통해 얻은 정보를 자신의 경험에 비추어 추상화하는 것으로 예비교사들은 현재 관찰되어지는 내용을 바탕으로 현실 세계에서의 자신이 경험했던 여러 생물의 생김새와 결합하여 삼엽충의 진화를 해석하고 있었다. 예컨대 Fig. 9에 제시된 그룹 D의 분류 활동 결과를 보면, 예비교사들은 골격 구조의 변화, 즉 ‘헤엄을 잘 치기 위해 옆다리들이 좀 더 세분화되고 다리 끝이 물갈퀴와 같이 길고 얇아짐’이라고 진술하며 삼엽충의 진화가 일어났다고 하였다.

Fig. 9. The result of group D's classification activities

예비교사들이 언급한 꼬리의 변화는 대부분 헤엄치기, 즉 지느러미의 역할 강화, 빠른 이동이나 많은 이동을 위한 변화, 방향 이동 등으로 언급하였다(Fig. 10). 그러나 실제 과학자들이 주장하는 삼엽충의 꼬리의 변화는 머리보다 작은 꼬리에서 머리와 같은 크기로 꼬리가 커진 것을 말하는 것으로 꼬리 부분 전체의 변화를 말한다. 꼬리 부분에 대한 예비교사들과 과학자들의 주장 차이를 볼 수 있다.

Fig. 10. Preservice teachers' comments on tail’s changes

예비교사들의 분류 활동 결과 중 머리 모양의 변화는 추상적 이미지라는 분류 기준의 속성에 속한다. 실제 삼엽충을 관찰하게 되면 두드러지게 관찰되는 모습은 머리 모양의 차이이다. 이 차이에 예비교사들은 자신들의 경험을 추가하여 삼엽충의 진화를 설명하고 있었다. 그 예를 구체적으로 서술하면 먹이를 먹기 위한 ‘입의 발달’, 보호 또는 공격을 위한 ‘뿔의 발달’, 기생을 위한 ‘주둥이의 발달’, 모래를 파고들기 위한 ‘머리의 발달’ 등과 같다.

예비교사들은 차원 속성에서는 양적 속성에 대한 것만 언급하였는데, 다리의 변화, 즉 다리 수의 변화, 다리의 굵기 변화 등에 대해 언급하며 삼엽충을 분류하였다(Fig. 11). 그러나 실제 이번에 투입된 과제에서는 삼엽충의 다리를 관찰할 수는 없다. 삼엽충의 다리는 가슴마디의 아래 부분에 달려있다. 투입 과제는 삼엽충의 등껍질 부분만이 노출되어 있다. 그래서 있다고 하더라도 관찰할 수는 없다. 그리고 삼엽충의 다리는 가슴의 마디 하나하나에 한 쌍씩 있어 삼엽충은 매우 많은 다리를 가지고 있다. 각각의 다리는 두 갈래로 나누어져 한 가닥은 걷는 기능, 나머지 한 가닥은 숨을 쉬기 위한 아가미역할을 했다고 한다. 실제 삼엽충의 다리는 연약하고 부드러운 편이다. 그래서 죽고 나면 떨어져 흩어지기 때문에 화석에 흔적이 잘 남아 있지 않다. 그러나 삼엽충은 등껍질을 돌돌 마는 성질을 갖고 있는 종도 있기 때문에 그 종들의 화석에서는 다리를 관찰할 수 있다(Fortey, 2007). 예비교사들은 가슴마디에 발달한 가시를 다리로 착각한 것으로 판단된다. 예비교사들이 언급한 다리(실제 가슴마디의 가시)는 실제로 삼엽충이 진화하면서 다양해진다(Fortey, 2007).예비교사들은 다리의 수의 증가의 이유로 빠르게 기어다니거나 헤엄치기를 위해서라고 언급하였으며, 빠른 이동에 대한 이유를 용이한 먹이 섭취를 위해라고 언급하였다.

Fig. 11. Preservice teachers' comments on legs’ changes

3. 예비교사와 과학자의 삼엽충 분류 결과 비교

과학자들이 이야기하는 삼엽충의 진화 경향은 먼저 외형과 관련해서는 새로운 형태의 눈, 마디 구조, 크기가 커지는 꼬리, 가시의 발달 및 수의 증가, 가슴 부위의 축소, 가슴 마디 수의 증가 또는 감소, 미간의 크기와 모양의 다양화, 눈과 얼굴 봉합선의 위치 변화, 입 부위의 분화 등이 있으며, 이 밖에도 몸을 동그랗게 마는 행동, 땅을 파고 들어가기 편하도록 머리, 가슴 및 꼬리의 구분이 밋밋해지는 변화 등이 있다(Fortey & Owens, 1989; Gon Ⅲ, 2009).

이와 같은 과학자들의 삼엽충의 진화 경향을 요약해보면, 삼엽충은 초기의 단순한 형태에서 시간이 지날수록 다양해졌다고 할 수 있으며, 가시나 뿔을 가진 종부터 몸을 둥글게 마는 종까지 생겼다(이승배, 2008).

Fig. 3은 위에서 진술한 내용에 바탕을 둔 과학자들이 작성한 삼엽충의 계통도이다. 이 계통도와 예비교사들(29개 그룹)이 작성한 29장의 계통도를 비교해보면, 상당히 많은 부분에서 유사성을 보인다. 먼저 29개그룹 중 6개 그룹을 제외한 23개 그룹에서 작성한 계통도, 즉 분류 활동 결과는 전체적으로 과학자들이 주장하는 진화 경향인 단순한 형태에서 복잡한 형태로의 변화와 유사하다고 할 수 있다.

예비교사 그룹 A의 분류 활동 결과인 Fig. 12를 보면 예비교사들은 전체적으로 단순에서 복잡하게, 그리고 세분화된다는 것을 기준을 설정한 후 삼엽충의 진화를 나열한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 12. Classification activities of preservice teachers similar to scientists

그룹 A의 분류 활동을 구체적으로 살펴보면, 그룹 A의 예비교사들은 삼엽충이 고생대 때 물가에서 기어다니며 살다가 바다가 형성되고 바다에서 헤엄을 치기 위한 모습을 갖추기 위해 진화되었다고 언급하면서, 이후 진화의 이유로 ‘헤엄치기’와 관련하여 물의 저항을 줄이는 쪽으로 그리고 헤엄 기능의 향상을 위한 전체적인 모양이 길쭉하게 변하는 것을 언급하였다. 또다른 갈래에서는 천적을 피하기 위한 납작한 모양으로의 변화, 헤엄을 위한 그리고 지느러미(원래는 꼬리부위의 발달이 맞음)의 발달, 그리고 개체 수 증가에 의해 먹이를 쉽게 얻기 위한 주둥이의 발달을 언급하였다. 전체적으로 ‘헤엄’을 강조하기는 하였으나, 지느러미의 발달, 주둥이의 변화에 대한 내용이 과학자의 주장과 관련하여 상당히 설득력을 갖는다.

앞서 언급하였듯이 삼엽충은 진화를 거듭하면서 머리, 가슴, 꼬리의 구분이 밋밋해졌다. 이 부분을 관찰을 통해 찾아낸 예비교사 그룹도 있었는데, 이 그룹은 머리, 가슴, 꼬리의 구분이 모호한 것부터 진화했다고 분류하였다. 즉 단순한 것부터 복잡한 것으로 구분했던 23개 그룹에 속하지 않은 그룹으로 진화의 방향을 역으로 구성한 것이었다. 그러나 관찰을 통해 구분의 밋밋함을 찾아내었다는 것은 다른 그룹에서 보이지 않은 특성이었다. Fig. 13은 그룹 B의 분류 활동 결과의 일부분으로 예비교사들은 골격발달 ×, 머리, 가슴, 배(꼬리가 맞는 표현)의 구분 ×로 표시하고 있었다.

Fig. 13. Part of the result of classification activity ofgroup B

예비교사들이 작성한 삼엽충의 계통도와 Sotelo 등(2017)에 의해 동물 생물학을 전공하는 학생들의 테스트용으로 작성된 삼엽충 계통도(Fig. 4)를 비교해보았다. 예비교사들이 계통도 작성에 이용한 삼엽충은 9종류이며 Sotelo 등(2017)이 작성한 계통도에서의 삼엽충은 15 종류라는 점에서 차이가 있었다. 이점을 제한점으로 두고 과학자들이 작성한 계통도와 예비교사들이 작성한 계통도를 비교해보았을 때, 분류 활동의 결과 29장 중 단순한 형태에서 복잡한 형태로 분류한 23장의 결과는 대략적으로 유사한 결과들을 보였다고 할 수 있다. 그 중에서도 그룹 E의 분류 활동 결과(Fig. 14)는 과학자들의 결과와 매우 유사한 결과로 분석되었다. Fig. 14를 보면, 삼엽충의 전체적인 외형을 토대로 무리 지어진 모습이 과학자의 계통도와 유사함을 알 수 있다. 이러한 결과는 예비교사들의 그룹 활동을 통해 이루어지는 관찰과 추리 활동이 탐구의 측면에서는 매우 유용하고 효과적이라는 것을 보여주는 예라 할 수 있다.

Fig. 14. Comparison of group E(A) with scientists(B) in relation to phylogenetic tree

Ⅳ. 종합 논의

분류는 생물학자나 고생물학자들이 그러했듯이, 가장 기본적이면서도 강력한 과학 도구로 어떤 주제를 연구하기 위해 시작하는 방법이며, 극적인 통찰로 나아가는 길이다(Seeds, 2006). 이러한 관점에서 예비교사들에게 삼엽충 화석 분류와 같은 과학 탐구활동을 경험하게 하는 것은 단순히 과학자들의 활동을 경험하는 것을 넘어 과학 탐구 수업을 진행할 수 있는 자신감을 불어 넣는 것(Fishman et al., 2003)이라고 할 수 있다. 삼엽충 분류 활동을 시작하면서 많은 여자 예비교사들은 삼엽충의 외형 모습을 보며 거부감을 느꼈다. 하지만 시간이 지남에 따라 거부감은 무뎌지며 탐구활동에 몰입하면서 친숙한 과제로 느끼기 시작하였다. 이러한 것은 탐구가 끝난 후 예비교사들의 반응을 통해 알 수 있었다. 더불어 탐구활동이 끝난 후 자신들의 결과를 발표하면서 예비교사들은 자신들의 탐구결과에 만족감을 표시하였으며, 다음에 있을 탐구활동에 대한 기대감을 나타내었다. 이와 관련하여 최현동(2011)의 연구에서는 생소한 과제 보다는 친숙한 과제에서 발전적인 방향으로 분류 전략의 변화가 더 크게 일어나고, 실물 보다는 사진 자료에서 분류 전략의 변화가 더 발전적이며 크다는 결과와 유사한 결과라고 할 수 있다. 즉 탐구활동에서 제시되는 분류 활동 과제들이 생소하다면 친숙해질 수 있는 시간인 탐구활동 시간이 충분히 주어져야 하며, 초기에 이루어지는 분류 과제는 실물 보다는 사진자료가 효과적이라는 것을 보여준다.

예비교사들의 탐구결과는 삼엽충의 외형적인 특징을 통해 분류해낸 결과로써 매우 체계적인 분류 결과였다. 예비교사들은 양일호와 최현동(2008)이 제시한 분류 기준 속성 6가지(세부 특징, 무선 영역, 추상적 이미지, 이차 속성, 양적 속성, 공간적 속성) 중 3가지(세부 특징, 추상적 이미지, 양적 속성)를 사용한 것으로 분석되었다. 투입한 삼엽충 화석 과제가 사진이라는 점을 고려하면 예비교사들은 사진을 통해 관찰할 수 있는 외형적인 특징을 위주로 분류했다고 할 수 있다. 이러한 결과는 양일호와 최현동(2008)의 연구에서도 주장했던 예비교사들이 Connell(2007)이 보고한 예비교사들의 분류 기준이 심리학에서의 연구와 맥락을 같이 하고 있다는 점을 생각해볼 필요가 있다. 예비교사들은 모양, 크기, 운동, 방향과 같은 다중 감각에 의해 인식되어 우리에게 존재하는 일차 속성과 같은 외형적인 특징을 먼저 선택하여 분류한다는 것이다. 이번 연구에서도 예비교사들은 투입 과제의 속성 상 질적 속성인 이차 속성에 대한 것은 언급하지 않았으며, 차원 속성에 해당하는 양적 속성에 해당하는 다리의 수, 굵기와 같은 속성을 통해 분류하는 모습을 보였다. 또 최현동(2011)은 예비교사들은 분류활동을 거듭할수록 분류 대상의 세부 특징을 파악하여 분류한다고 보고하였다. 즉 충분한 시간을 통해 반복적으로 이루어진 분류활동에서 예비교사들은 체계적인 분류 결과를 도출하였다는 것이다.

분류에 있어서 가장 중요한 것은 분류의 기본 방향을 정하는 것이 중요한 분류 전략이다(Jensen, 1996). 이러한 관점에서 예비교사들은 이번 분류 과제의 기본 방향이 삼엽충의 진화 과정이라는 관점이 주어졌으므로, 예비교사들은 ‘생존’이라는 분류의 기본 방향을 수립한 것으로 분석되었다. 예비교사들의 분류 결과를 보면, 대다수의 예비교사들이 ‘먹이’, ‘헤엄’, ‘천적’ 등의 용어를 사용하며 진화의 과정을 서열화하고 분류하는 것을 볼 수 있었다. 이러한 관점에서 예비교사들의 분류 결과가 체계적으로 이루어질 수 있었던 이유를 찾을 수 있다. 이와 관련하여 양일호와 최현동(2008)의 연구에서도 일반적으로 세부 특징과 이미지를 전처리 단계로 활용하여 기본 분류 방향을 세우고 분류 대상의 특징을 잘 드러나도록 하는 분류 전략은 매우 효과적이라고 하였다. 일반적으로 학생들에게 제시되는 분류 과제를 보면, 한 무리의 과제를 주고 학생들에게 분류 기준을 세워 이분법이나 다분법으로 분류하게 하는 것이 대부분이다. 이번 연구 결과를 통해 이러한 활동을 살펴보면, 먼저 분류의 관점을 제시하고 학생들에게 분류의 목적을 인식시킨 후 분류활동이 이루어지는 것이 분류에 대한 이해와 분류 전략의 숙달 및 습득에 더 유리하다는 것을 알 수 있다. 현재까지 이루어진 탐구활동이 낮은 수준에서부터 높은 수준으로 단계적으로 서열화하여 이루어진 점을 다시 한 번 숙고해볼 필요가 있다고 본다.

이번 연구에서 이루어진 분류 활동은 개인별로 이루어지지 않고 그룹별로 이루어졌다. 1시간이라는 짧은 시간의 한계를 넘어 체계적인 분류 결과를 도출할 수 있었던 것은 그룹 활동으로 이루어졌기 때문으로 생각된다. 현장에서 그룹 활동을 지켜본 결과 상당히 많은 상호작용이 이루어졌으며, 이러한 점은 앞서 연구결과에서도 볼 수 있었듯이 예비교사들은 분류 기준에 대해 상당히 많은 내용을 결과물에 제시하고 있는 것을 볼 수 있었다. 이러한 것은 그룹별로 이루어진 활동 내에서 예비교사들의 언어적 상호작용을 통한 점화 효과와 관련이 있다고 할 수 있다. 양일호와 최현동(2008)의 연구에서도 효과적인 분류 수행과 관련된 분류 전략은 분류 대상의 주된 특성을 살릴 수 있는 주요 기점을 설정하고 그와 관련하여 빠르고 깊이 있게 처리하는 점화 효과와 관련이 있다고 하였다. 이번 탐구 활동에서는 진화라는 것이 주요 기점으로 그와 관련하여 ‘먹이’, ‘헤엄’, ‘천적’ 등에 대한 예비교사들 간의 폭넓은 토론을 통해 효과적인 분류 활동이 이루어진 것으로 생각된다.

삼엽충에 대한 예비교사들의 분류활동 결과물은 과학자들이 주장하는 삼엽충의 진화 과정과 매우 유사하였다. 생물학에서 분류는 생물 진화의 측면과 관련되어 중요한 의미를 갖는다(Honey & Paxman, 1986)는 측면에서 이번 활동은 예비교사들에게 분류와 더불어 진화에 대한 의미를 생각해보고 진화와 관련된 생명 활동을 경험해보게 하는 좋은 기회였을 것이라 생각한다. 예비교사들이 관찰과 협의를 통해 과학자들의 결과와 유사한 결과를 보였다는 것은 매우 고무적인 일이다. 즉 충분한 시간과 밀도 있는 토론을 통한 그룹탐구활동은 좋은 결과를 낼 수 있다는 것이다. 앞으로의 탐구활동 구성에 좋은 시사점을 제공한다고 할 수 있다. 초기의 과학자들도 발견된 사실을 통해 귀납적으로 개념을 도출하였다. 또 무수히 많은 협의와 논쟁을 통해 이론과 법칙을 만들었다. 이러한 관점에서 이번에 이루어진 예비교사들의 삼엽충 분류 활동은 과학자들의 지식 생성 과정을 작은 규모로 경험한 것이라 할 수 있다. 이러한 경험이 예비교사들에게 미래 과학 탐구수업을 진행하는데 많은 격려가 될 것이다. 이러한 예비교사들의 성공적인 탐구 활동 결과는 Inoue(2009)가 주장했던 과학교사는 과학 교과에 대한 전문적인 지식과 더불어 탐구에 관련된 지식 또한 갖추고 있어야 한다는 것에 더욱 힘을 실어주는 것이라고 할 수 있다. 즉 성공적인 탐구 수업을 위해 예비교사들에 많은 탐구활동 기회를 부여하여 탐구와 관련된 지식은 물론 경험을 축적하게 해주어야 한다는 것이다(Leonard et al., 2009; Plevyak, 2007). 이러한 것이 성공적인 과학 탐구수업을 위한 준비일 것이다. 과학적 관찰자로 발전하기 위해서는 자신의 추론을 뒷받침할 수 있는 지식과 경험이 중요하다(Eberbach & Crowley, 2009). 예비교사는 물론 예비교사가 가르칠 학생들이 과학적 관찰자가 되도록 하기 위해서는 이러한 경험은 필수적인 것이라고 하겠다.

Ⅴ. 결론 및 제언

이 연구는 예비교사들이 삼엽충을 분류하면서 보이는 탐구 특성을 분석하는 것이다. 이번 분류 활동 과제는 삼엽충의 계통도를 작성하는 것으로 관찰을 통해 삼엽충의 특징을 찾아내어 나열한 후 관찰 내용을 바탕으로 삼엽충의 진화 과정을 추리하여 논리적인 위계를 구성해야 하는 것이었다. 예비교사들의 분류 활동을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 예비교사들은 그룹 내 협의를 통해 삼엽충의 외형적인 특징을 잘 관찰해내고 그 내용을 바탕으로 체계적인 분류 결과를 도출하였다. 29개 그룹 모두 체계적이고 논리적인 계통도를 구성하였다. 이러한 점은 혼자 하는 분류 활동 보다 그룹으로 하는 분류 활동이 상당히 효과적이라는 보여준다. 서로의 의견을 주고받으며 토론을 통해 관찰 내용이 풍부해지고 풍부한 관찰 내용을 근거로 논리적인 추리가 가능했을 것으로 생각된다. 앞으로의 탐구 활동이 개인 탐구 보다는 그룹 탐구가 활발하게 이루어져야 한다는 점을 이 결과를 통해서도 알 수 있었다. 둘째, 예비교사들은 다양한 분류 기준을 사용하여 분류 활동을 하고 있었다. 9종류의 서로 다른 삼엽충을 관찰하고 분류하면서 양일호와 최현동(2008)이 제시한 6개의 분류 기준 속성 중에서 3가지를 사용하는 것으로 분석되었지만, 범주로는 7가지 정도의 분류 기준을 설정하여 분류하는 것으로 분석되었다. 조금 더 다양하고 많은 종류를 제시한다면 더 다양한 분류 기준이 나올 것으로 예상된다. 단 예비교사들이 외형적인 특성을 바탕으로 추리하는 내용이 먹이나 천적으로부터의 보호 등으로 국한되어 있어 다소 단순한 점이 아쉬운 점으로 남았다. 이와 관련하여 삼엽충 화석 과제가 분류 과제로 적절한 과제이며 체계적인 분류 과제로 개발될 필요가 있다고 생각한다. 셋째, 예비교사들의 계통도와 과학자들의 계통도를 비교해보았다. 예비교사들은 과학자들이 주장하는 삼엽충 화석의 일반적인 진화 과정인 단순한 형태에서 복잡한 형태로의 변화를 관찰과 추리를 통해 분석해낸 후 이를 근거로 계통도를 구성하였다. 관찰과 그룹 내 토론 그리고 추리를 통해 과학자들의 계통도와 유사한 결과물을 얻었다는 것은 매우 고무적인 일이다. 충분한 시간과 충분한 관찰, 토론이 뒷받침되는 탐구활동의 결과는 질적으로 매우 우수할 수 있음을 보여주는 것이라고 할 수 있다. 현장에서 이루어지는 탐구활동들이 시간에 쫓겨 충분히 이루어지지 못하고 있다는 것을 비추어보면 우리에게 많은 시사점을 주는 결과라고 할 수 있다. 이러한 결과를 토대로 앞으로 현장에서는 탐구활동에 필요한 시간을 충분히 확보해야 하며 탐구활동의 형태가 그룹별로 이루어지도록 독려하고 계획할 필요가 있으리라 생각한다.

이상의 결과를 통해 우리는 분류 활동과 같은 탐구활동의 바람직한 방향을 엿볼 수 있었다. 또한 다양한 탐구 과제를 개발해야 함을 느낄 수 있었다. 흥미 있는 탐구 과제는 충분한 시간이 주어진다면 좋은 결과를 얻을 수 있다. 이러한 관점에서 다양한 탐구 과제가 개발되어야 하며 예비교사들에게 탐구 활동의 기회가 폭넓게 주어져야 할 것으로 생각된다.