배움이 있는 초등 과학 수업을 위한 10가지 기법

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

경기 성남 당촌초 이환규

Ⅰ. 둘러보기

Ⅱ. 배움이 있는 초등 과학 수업을 위한 10가지 기법

기법 1
과학 개념을 설명하라 ①: 과학 개념 한자 카드
학생들은 과학 용어와 그 용어가 나타내는 개념을 바르게 연결하지 못하는 경우가 있다. 이는 과학 용어와 개념을 별개의 것으로 생각하여 과학 용어와 개념을 따로 외우기 때문이다. 특히, 용질, 용매, 용해, 용액의 과학 용어는 학생들에게 낯설기도 하지만 교과서에 그 개념이 학생들에게 익숙하지 않는 표현으로 제시되어 있어 학생들이 과학 용어를 이해하는데 어려움이 많다. 따라서 용질, 용매, 용해, 용액 등의 과학 용어를 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 한자의 뜻을 함께 제시할 필요가 있다.

기법 1
과학 개념을 설명하라 ②: 과학 개념 색인 카드
학생들은 교과서에 제시된 과학 개념을 교사의 지시에 따라 단순히 읽어 보고 넘어가는 경우가 많다. 이로 인해 학생은 과학 개념을 자기의 생각과 언어로 재출력하지 못하고, 교사는 학생이 과학 개념을 바르게 이해하고 있다고 판단하게 된다. 특히, 학생들이 항성, 행성, 위성 등 일상 생활에서 흔히 사용하지 않는 과학 용어는 교과서의 개념을 단순히 읽어 보았다고 해서 쉽게 이해하기는 어렵다. 즉, 실제 과학 수업을 해보면 학생들은 위성의 개념을 읽고 달은 위성이 아니라 그냥 달이며 위성은 인공위성을 의미한다고 생각하는 경우가 있다. 따라서 학생들이 과학 개념을 자기 언어와 이미지로 표현하는 활동을 통해 과학 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 지도할 필요가 있다.

기법 2
과학 원리를 이용하라 ①: 태양의 고도 측정기 만들기
초등 과학 교과서(6학년, 계절의 변화 단원)에서는 태양의 고도를 측정하는 방법을 다음과 같이 제시하고 있다.
그러나 학생들이 위 실험 방법으로 태양의 고도를 측정하여도 태양의 고도의 개념이나 원리를 제대로 이해하지 않고 단순히 측정에만 집중하는 경우가 많다. 따라서 교사는 학생들이 태양의 고도를 측정하면서 태양의 고도 개념과 측정 원리를 직관적으로 이해할 수 있는 자료를 제시할 필요가 있다.

기법 2
과학 원리를 이용하라 ②: 계절의 변화가 생기는 까닭
교과서나 장학 자료, 연수 교재 등을 살펴보면, 계절의 변화가 생기는 까닭을 알아보기 위해 다음과 같이 지구의 자전축이 바로 세워진 경우와 한 쪽으로 기울어진 채 공전하는 경우를 비교 실험하도록 제시하고 있다. 그러나 이와 같이 지구의 자전축이 바로 세워진 경우와 한 쪽으로 기울어진 채 공전하는 경우만 제시되어 있어 교사나 학생이 계절의 변화가 생기는 까닭을 탐구하지 않고 암기하게 되는 경우가 있다. 따라서 지구의 자전축이 누워진 채 공전하는 경우, 왼쪽으로 기울어진 채 공전하는 경우, 오른쪽으로 기울어진 채 공전하는 경우, 지구의 북극이 태양을 향하면서 공전하는 경우, 지구의 북극이 태양 반대쪽을 향하면서 공전하는 경우 등 여러 가지 조건을 제시하고 어떤 경우에 계절의 변화가 생기는지를 탐구할 수 있는 자료를 제시할 필요가 있다.

기법 3
과학 탐구 과정 기능을 적용하라 ①: 예언 시계로 배우는 관찰
과학의 핵심은 관찰이다. 즉, 궁극적으로 어떤 과학적 탐구의 결과와 절차를 결정짓는 것은 관찰이다. 정확한 관찰 없이 과학적으로 탐구하는 것은 불가능하다. 학생들은 예상한 것뿐만 아니라, 전혀 예상하지 못한 것들도 관찰할 수 있어야 한다. 그러나 실제 초등 과학 수업에서 관찰을 지도하는 장면을 살펴보면, 관찰하는 방법을 직접 지도하지 않고 암묵적으로 지도하거나 직접 지도한다고 해도 ‘열심히 관찰하세요, 자세히 보세요, 오감을 이용하세요.’ 등 교사가 관찰의 지도 방법을 제대로 알지 못하는 경우가 많다. 따라서 교사는 학생들의 관찰 능력을 향상시키기 위해 알맞은 자료를 활용하거나 개발할 필요가 있다. 마술 도구인 예언 시계를 활용하면 예상하지 못한 것들을 관찰할 수 있고, 관찰의 3단계(관찰 대상의 범위), 4단계(조작적 관찰), 5단계(관찰을 통한 추론)등 관찰을 단계적으로 지도할 수 있다.

기법 3
과학 탐구 과정 기능을 적용하라 ②: 화석을 발굴하고 관찰·추론하기
교과서에서는 학생들이 과학자처럼 화석을 이용하여 탐구하고 연구하도록 의도하고 있다. 그러나 학생들은 화석에 관심은 있으나 화석을 단순히 관찰만 하고 화석을 이용한 탐구나 추론적 사고는 잘 이루어지지 않는다. 즉, 학생들이 삼엽충 화석을 보면 그냥 ‘와! 삼엽충이다.’라고 말하거나 ‘삼엽충이 발견되는 것으로 보아 이 지역은 예전에 바다였을 것이다.’라는 단순한 추리만 하는 경우가 대부분이다. 따라서 교사는 학생들이 화석을 직접 발굴하고 발굴한 화석을 이용하여 추론적 사고를 통해 스토리를 만들어 보고, 자신이 만든 스토리를 검증하기 위해 추가로 화석을 발굴하는 자료를 제시할 필요가 있다.

기법 3
과학 탐구 과정 기능을 적용하라 ③: 측정의 3단계로 풍향 측정하기
교과서에서는 바람의 방향을 바람이 불어오는 쪽의 방위로 정의하고 바람의 방향은 화살표 기호로 표시한다고 제시되어 있다. 또 학생들이 풍향계를 이용하여 바람의 방향을 측정한 후, 화살표로 바람의 방향을 표시하는 활동이 제시되어 있다. 그러나 학생들은 바람의 방향을 바람이 불어가는 방향이 아니라 왜 불어오는 방향으로 정의하였는지, 풍향계의 화살표 부분과 바람의 방향을 화살표 기호로 표시하는 방향이 서로 반대 방향이기 때문에 바람의 방향을 표시하는데 오류를 범하는 경우가 많다.
<1단계 : 몸으로 바람의 방향 측정하기>
① 나침반을 이용하여 운동장에 방위표를 그린다.
② 방위표 중앙에 선 다음, 바람이 불어오는 방향으로 향한다.
③ 바람이 자신에게 불어오는 방향으로 방위표에 화살표를 그린다.
<2단계 : 임의 도구(간이 풍향계)로 바람의 방향 측정하기>
① 나무막대 끝에 실을 묶어 간이 풍향계를 만든다.
② 간이 풍향계를 들고 방위표 중앙에 선 다음, 바람이 불어오는 방향으로 향한다.
③ 나무막대 끝에 묶은 실이 움직이는 방향으로 방위표에 화살표를 그린다.
<3단계 : 표준 도구(풍향계)로 바람의 방향 측정하기>
① 풍향계로 바람의 방향을 측정하고 화살표 기호로 바람의 방향을 표시한다.

기법 4
학생의 눈높이에 맞추어라 ①: 달의 위상 변화 종이 모형
교과서에서는 여러 날 동안 달의 위상 변화를 지구 관측자 시점과 우주 관측자 시점으로 제시하여 학생 뿐만 아니라 학생을 가르치는 교사도 교과서의 내용을 이해하고 설명하기 어렵게 제시되어 있다. 이로 인해 교사와 학생들은 여러 날 동안 달의 위상 변화가 생기는 까닭을 이해하기 보다는 그냥 암기하는 경우가 많다. 따라서 교사는 초등학생들이 이해하기 어려운 우주 관측자 시점의 삼구의 자료를 대체하여 지구 관측자 시점에서 달의 위상 변화를 쉽고 직관적으로 이해할 수 있는 실험과 자료를 제시할 필요가 있다.

기법 4
학생의 눈높이에 맞추어라 ②: 질문 있어요, 입장권과 퇴실권 카드
과학 수업이나 지도안을 보면 대부분의 교사는 수업의 정리단계에서만 형성평가를 실시하고 있다. 그러나 학생평가에 대한 최신 개념은 학습을 돕는 평가(Assessment for learning)이다. 이는 문제해결력과 창의력을 길러주는 평가이며, 학습자의 다양한 개인차를 존중하는 평가를 강조함으로써 평가를 통해 궁극적으로 학생들을 더 잘 이해하고 사고할 수 있도록 하여 평가가 학생의 학습을 도와준다는 개념이다.
따라서 수업의 도입, 전개, 정리 단계에서 학생들의 성장을 돕고 교사의 수업 개선을 위해 입장권과 퇴실 카드를 붙일 수 있는 게시판을 제작하여 적극 활용할 필요가 있다. 입장권은 수업의 도입 단계에 학습 내용에 관한 질문을 하면, 학생들은 자신의 응답을 쪽지나 카드에 기록하는 기법을 말한다. 학생들은 교사가 질문한 것에 대한 답을 쪽지나 카드에 써서 익명으로 제출하면 교사는 학생들의 이해 정도를 쉽게 파악할 수 있다. 학생들이 카드에 제시한 여러 가지 정보는 교사가 즉각적으로 피드백을 제공할 뿐만 아니라 향후 전개할 수업에 바로 반영할 수 있다. 퇴실권은 수업의 정리 단계에서 오늘 수업 중에서 가장 혼란스러웠던 것은 무언인가 등과 같은 교사의 질문에 대하여 학생들의 반응을 카드에 기록하여 퇴실하면서 제출하는 방법이다.

기법 5
교과서를 뒤집어라 ①: 우리가 만드는 과학 교과서

기법 5
교과서를 뒤집어라 ②: 요리로 배우는 온도와 열
단원 ‘온도와 열’의 과학 이야기 코너에서는 음식을 만드는 과정에서 열이 이동하는 예를 삽화로 제시하고 있다. 이로 인해 실제 수업에서는 학생들이 교과서에서 배운 열의 이동에 대한 지식이나 원리를 이용하여 직접 음식을 만들고 탐구하는 것이 아니라 교과서의 삽화를 보고 단순히 자신의 경험을 떠올려 음식을 만드는 과정에서의 열이 이동을 이해하고 넘어가는 경우가 대부분이다. 또한, 융합인재교육(STEAM) 코너에서는 열의 이동이 아니라 열의 이동을 막는 보온병 만들기를 상황으로 제시하고 있다. 그러나 융합인재교육(STEAM)의 창의적 설계과정에서는 학생들이 이미 알고 있는 과학이나 수학에 대한 기본 지식이나 원리를 이용하여 문제를 스스로 해결하도록 안내하고 있기 때문에 이와 같이 교과서에서는 다루지 않았던 보온(단열)을 상황으로 제시하는 것은 적절하지 않다. 따라서 교사는 학생들에게 열의 이동 단원에서 학습한 열의 이동과 관련된 상황을 제시하고, 스스로 창의적인 설계를 통해 문제를 해결할 수 있는 융합인재교육(STEAM) 자료를 제시할 필요가 있다.
‘요리로 만들며 배우는 온도와 열’은 컵의 크기와 열의 전도가 다른 네 가지 컵(철, 유리, 도자기, 플라스틱)을 모둠별로 각각 선택하도록 하여 고체, 액체, 기체에서의 열의 전달을 이용하여 초콜릿을 녹여 자신이 원하는 모양의 초콜릿 과자를 만드는 융합인재교육(STEAM) 프로그램이다. 이 때, 모둠이 선택한 컵은 크기와 열의 전도가 각각 다르기 때문에 학생들이 문제를 해결하기 위해서는 창의적인 방법을 생각해야만 한다.

기법 5
교과서를 뒤집어라 ③: 영화로 배우는 화산과 지진
흐르는 용암과 버스에 길이 막혀 주인공이 도망가지 못하자 소방차 사다리의 끝 부분에 매달려 그 지역을 벗어나는 장면이다.

  • 주인공이 전달받고 있는 열은 전도, 대류, 복사 중 어느 것일까?
  • 뜨거운 불길에도 안전한 사다리를 만들려면?

구조원이 운전사를 업고 불길에 둘러쌓인 지하철에서 뛰어내린다. 그러나 구조원은 용암 위에 떨어지지만 온 힘을 다해 운전사를 안전한 지역으로 던져 살리고 자신은 죽는 장면이다.

  • 영화 속 인물들의 상황을 이해하기 위해 역할극을 해 봅시다.
  • 이런 상황에서 구조원의 임무나 책임은 어떤 것인가?

기법 6
실패하는 경험을 제공하라 ①: 곤충의 눈 체험 안경
학생들은 뒤에서 살금살금 다가가 곤충을 잡으려는 순간 곤충이 날아간 경험을 한 두 번씩은 해보았을 것이다. 이러한 경험을 한 대부분의 학생들은 곤충 뒤에서 다가간 자신을 곤충이 어떻게 보았을지 궁금해 하면서도 이에 대해 탐구가 이루어지지 않는다. 이는 초등 과학 교과서에서 곤충의 특징을 이해하고 우리 주변의 여러 곤충을 관찰하는 정도만 다루고 있기 때문이다. 따라서 교사는 학생들이 ‘곤충은 어떻게 앞과 뒤를 함께 볼 수 있을까?’에 대해 탐구할 수 있는 자료를 알아 둘 필요가 있다.
곤충의 눈 체험 안경은 사람이 거울을 이용하면 곤충처럼 자신의 뒤쪽 방향을 볼 수 있는지 알아보기 위한 자료이다. 일반적으로 교과서에 제시되어 있는 자료나 실험은 실패하지 않고 성공할 수 있도록 안내되어 있다. 그러나 학생이 곤충의 눈 체험 종이 모형으로 앞쪽과 뒤쪽을 동시에 보면 곤충이 보는 것과는 달리 잘 보이지 않는다. 즉, 우리는 앞쪽을 바라보면 뒤쪽을 볼 수 있는 거울에 초점이 맞지 않아 잘 보이지 않고, 거울을 이용하여 뒤쪽을 바라보면 이번에는 앞쪽 방향을 보는 눈의 초점이 맞지 않다. 앞쪽이 잘 보이지 않는다. 이와 같이 곤충의 눈 안경은 사람이 곤충의 눈 구조와 다르기 때문에 곤충과 같이 앞과 뒷면을 동시에 볼 수 없는 것을 체험하기 위한 자료이다.

기법 6
실패하는 경험을 제공하라 ②: 우리 몸, 세워지는 밧줄
초등 과학 교과서의 우리 몸 단원에서는 근육과 함께 관절에 대한 내용을 제시하고 있다. 근육에 대한 내용으로는 근육이 하는 일과 근육의 수축과 이완을 탐구할 수 있는 간단한 모형을 제시하고 있다. 관절에 대한 내용으로는 관절의 정의와 기능에 대해 텍스트로 간단하게 설명만 제시하고 관절의 종류와 구조 등을 학생들이 직접 조작하고 탐구할 수 있는 자료는 제시되어 있지 않다. 이로 인해 학생들은 우리 몸에 있는 관절에 대해 호기심을 가지고 탐구하기 보다는 관절이 있어 움직임이 편리한 점에 대해서만 이해하는 경우가 있다. 따라서 초등학생들이 관절의 종류와 구조를 조작하면서 탐구할 수 있는 자료를 개발할 필요가 있다.
마술 도구인 ‘세워지는 밧줄’은 팔꿈치와 같이 경첩 관절 구조로 되어 있어 학생들에게 관절의 종류와 구조를 지도하는 자료로 활용될 수 있다. 교사는 ‘세워지는 밧줄’을 이용하여 관절의 종류와 구조를 지도할 때, 학생들에게 ‘세워지는 밧줄’ 마술 시연을 보여주고 그 원리를 설명하는 것 보다는 학생들이 세워지는 밧줄을 관찰하고 수수깡을 이용하여 직접 마술 도구를 만들어보게 하는 것이 효과적이다. 대부분의 학생들은 수수깡으로 세워지는 밧줄을 만드는 과정에서 실패를 경험하게 된다. 이때 교사는 학생들에게 실패의 원인을 분석하고 이를 해결하도록 지도함으로써 학생들이 과학적 탐구 과정을 경험하게 할 수 있다.

기법 7
생활 주변의 재료를 활용하라

  • 페트병으로 만드는 루뻬
  • 철사로 만드는 곤충의 더듬이
  • 종이컵으로 만드는 곤충 함정
  • 플라스틱통으로 만드는 흡충기
  • 수도관 보온재로 롤로코스터 디자인하기

기법 8
후속 학습과 연계하라: 계절의 변화

낮의 길이(지면이 데워지는 시간)가 길수록 기온이 높아진다.
기온과 낮의 길이와의 관계 (1차시)
태양의 고도가 높을수록 기온은 높아진다.
태양의 고도와 기온의 관계 (2차시)
태양의 고도가 높을수록 단위 넓이의 지면이 받는 태양 에너지의 양이 많아져 기온이 높아진다.
태양의 고도와 지면이 받는 태양에너지 양과의 관계 (3차시)
태양의 고도는 여름(하지)에 가장 높고 겨울(동지)에는 가장 낮다.
계절에 따른 태양의 고도의 변화 (4차시)
지구가 자전축이 기울어져 태양 둘레를 공전하기 때문에 태양의 남중고도가 달라진다.
지구의 자전축과 태양의 남중고도와의 관계 (6차시)
태양이 떠서 지기 바로 직전까지
지면이 데워지는데 왜 2시경부터
기온이 점점 낮아질까?
왜?
태양의 고도가 높을수록
왜 기온이 높아질까?
왜?
여름(하지)과 겨울(동지) 중
어느 계절의 태양의 고도가 더 높을까?
왜?
계절에 따라 태양의 남중고도는
왜 달라질까?
왜?
태양의 남중고도가 달라지면
왜 계절의 변화가 생기는가?
왜?
지구의 자전축이 기울어져 태양 둘레를 공전하기 때문에 태양의 남중고도가 달라지게 되고 태양의 남중고도가 달라지면 해가 뜨고 지는 위치, 낮의 길이, 지면에 도달하는 태양에너지의 양이 달라져 기온이 변하여 계절의 변화가 생기게 된다.
계절의 변화가 생기는 까닭 (7차시)

기법 9
다른 교과와 융합하라:

  • ▷ ‘피노키오를 사람으로 만들기’ STEAM 수업
  • ▷ 마음을 전달할 수 있는 인공부화장 만들기’ STEAM 수업

기법 10
보조 교재(실험 관찰)을 버려라

  • 전원이 칠판에 발표하기
  • 모둠별 실험 결과를 칠판에 쓰고 결론 도출하기
  • 공책 활용하기

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