(3) 가설 검증 수업 과정 모형

탐색 및 문제 파악 단계 --> 자료 관찰, 문제 파악

가설 설정 단계--> 잠정적인 결론 설정

실험 설계 단계 --> 변인 통제, 실험 자료 정리

실험 단계--> 데이터를 얻는 단계

가설 수용 또는 수정 단계 --> 그래프화, 추리, 가설, 수용, 수정, 자료 해석

적용 또는 새로운 문제 발전 단계 --> 적용, 설명, 예상 문제 발견

① 탐색 및 문제 파악 단계

관찰 및 자료 탐색을 통하여 문제를 파악하는 단계이다. 과학은 우리 주변의 자연 현상에 관한 규칙성을 찾거나 문제에 대하여 해답을 찾아내는 과정이라 할 수 있다. 따라서 우선 무엇이 문제인지를 파악하는 것이 중요하다. 문제의 파악은 어떤 현상이나 사물의 관찰에서부터 출발한다. 예를들면 우리는 햇빛을 쬐면 따뜻해진다는 것을 경험(관찰)을 통해서 알고 있다. 또한 표면을 검게 칠한 구리통에 온도계를 꽂은 고무 마개로 막은 다음, 햇빛을 비추어 보면 온도가 올라가는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 관찰을 통해서 우리는 지구가 태양으로부터 복사 에너지를 받고 있다는 사실을 알 수 있다. 그리고 □태양의 고도가 낮은 아침보다 태양의 고도가 변함에 따라 지구가 받는 복사 에너지의 양도 변하는가?□ 라는 의문을 가질 수 있으며 구리통을 이용한 복사 에너지 측정 실험과 관련지어 □구리통의 표면에 햇빛이 수지으로 비출 때와 비스듬히 비출 때(예: 40。 경사로) 온도는 어떻게 될까?□ 하는 의문을 가질 수 있다.

그러나 문제 파악의 상황이나 수준은 학습자가 가지고 있는 경험이나 지식 등에 의해 달라진다. 즉, 문제 파악은 학습자의 경험이나 지식 구조와 밀접한 관련을 갖는다. 따라서 학생 스스로 문제를 파악하는 것이 어려울 경우도 있을 수 있다. 이 때는 교사가 관찰 관점을 제시하거난 과거에 경험한 사실을 질문을 통하여 상기시킴으로써 학생이 어떤 문제를 파악하도록 유도할 필요가 있다.

정보 제공 중심 수업에서는 교사가 문제를 제시하여 학생들이 탐구 과정을 진행해 나갈 수 있도록 문제점을 충분히 이해시킨다. 교사가 문제를 제기하는 형태는 문제의 종류나 학생에 따라 다르지만 지도, 그래프, 도표, 시나리오 등을 이용할 수도 있다.

② 가설 설정 단계

제시된 문제에 대해서 학생들은 그 문제의 잠정적 결론 즉 가설을 설정할 수 있다. 예를들면 위에서 제시한 문제에 대해 □구리통의 검은 면에 햇빛이 수직으로 비칠 때 복사 에너지를 많이 받을 것이다.□ 또는 □구리통의 검은 면에 햇빛이 수직으로 비칠 때나 비스듬히 비칠 때 구리통이 받는 태양 복사 에너지의 양은 같을 것이다.□ 라는 가설을 세울 수 있을 것이다.

③ 실험 설계 단계

위에서 세운 가설을 검증하기 위해서 필요한 데이타는 무엇이며 어떤 변인이 있고, 그 변인을 어떻게 통제할 것이며, 사용되는 기구는 무엇이며 실험과정은 어떠해야 할 것인지 등의 계획을 세우는 단계이다. 예를 들면 위에서 세운 가설을 검증하기 위한 실험 설계에서는 구리통의 표면에 햇빛을 비추는 각도만 다르게 하고 구리통, 통 속의 물, 온도계, 구리통을 싸는 단열재의 종류 등은 모두 같게 하는 것 등을 고려해야 한다.

④ 실험 단계(가설 검증 단계): 데이터를 얻는 단계

위에서 생각한 변인을 통제하면서 관찰, 분류, 측정 등을 통하여 데이타를 얻는다.

정보제공 중심 수업에서는 실험 설계 및 실험 단계 대신 데이터 수집 단계를 거친다. 여기서는 학생들이 실제로 실험 기구 등을 조작해서 필요한 데이터를 얻는 것이 아니라 학생이 직접 도서관을 이용하여 데이터를 수집할 수도 있고, 가정에 있는 신문, 잡지 등을 통해서 데이터를 얻을 수도 있으며 교사에게 질문을하여 데이타를 수집할 수도 있다. 질문을 통하여 데이터를 수집하는 경우에 학생들은 질문을 하고 교사는 정보원 역할을 하며 학생들의 질문에 □예□, □아니오□라는 대답을 하거나 필요한 데어타인 그래프, 도표,사진 등을 제시하게 된다. 이러한 과정을 통해서 학생들은 가설 검증에 필요한 데이타를 수집한다. 따라서 학생들이 가설 검증에 필요한 사실을 알아내기 위해서는 교사가 □예□□,□아니오□ 라고 대답할 수 있는 질문을 해야한다.

이러한 데이터 수집 단계에서 중요한 것은 그들이 얻은 데이터는 가능하면 어떤 처리과정을 거치지 않은 것일수록 좋다. 이렇게 함으로써 학생들은 데이터로부터 그들 스스로의 추리를 할 수 있는 능력을 기르게 된다.

⑤ 가설 수용 또는 수정 단계

위에서 얻은 데이터를 도표화, 그래프화, 조직화하여 추리, 해석함으로써 가설을 수용 또는 수정하는 단계이다. 가설을 수정하였을 경우에는 실험 중심 수업에서는 실험 계획 단계부터 다시 밟아야 하며, 정보 제공 중심 수업에서는 데이터 수집 단계부터 다시 시작해야 한다. 이러한 가설의 수정 즉, 새로운 가설의 형성, 데이터 수집(실험 설계 및 실험) 과정은 순환적이며 문제가 해결될 때까지 계속한다.

⑥ 적용 또는 새로운 문제 발견 단계

위에서 얻은 개념이나 원리들을 다른 상황에 적용하고 설명하며 응용하는 단계이다(예를 들면 □계절의 변화에 따른 온도변화□가 있다).

이러한 활동을 통하여 새로운 문제를 발견할 수 있으며 오류가 발견될 때에는 ⑤단계에서는 ③단계로, ⑥단계에서는 ③단계로 피드백하여 다시 시작하여야 한다.

지구과학 학습에서의 적용 예)

- 화산과 지진의 원인

- 판구조론

- 천동설과 지동설

- 동일과정설

- 병합설과 빙정설

- 구름의 형성 원인

- 바람의 원인

- 대기대순환

- 태양의 에너지 원(석탄, 중력 에너지, 핵융합 에너지)

- 태양계 형성 이론

- 별의 색과 온도

- 산개성단과 구상성단의 중금속 함량비의 차이 원인

- 케플러 법칙

- 우주 대팽창설

- 지구의 기원

Ⅰ. 가설 - 검증 수업 모형

1. 학습 내용 : 지구의 복사 평형 (과학Ⅰ하)

2. 학습 목표 : ① 광원으로부터의 거리와 복사 평형 온도와의 관계를 알 수 있다.

② 행성의 온도를 결정하는 요인을 알 수 있다.

3. 준 비 물 : 검은 깡통, 온도계, 전구(200W), 줄자, 시계

4. 수업 전개

학습 과정	교 수 - 학 습 활 동		유 의 점
	교 사	학 생
선수 학습 확인	□지구가 태양으로부터 에너지를 받기만 한다면 지구의 온도는 어떻게 될까요? □지구는 태양 복사 에너지를 계속 받고 있으면서도 일정 온도를 유지하고 있다. 그 까닭은?	□계속 높아진다. □지구는 흡수한 만큼의 에너지를 방출하기 때문이다.
탐색 및 문제 파악	□겨울철 난로를 가까이에서 쬘 때와 멀리에서 쬘 때 중 어느 경우가 더 따뜻할까요? □난로에서 떨어진 거리와 우리 몸이 받는 에너지와의 관계는 어떻다고 볼수 있나요?	□가까이에서 쬘 때이다. □난로에서 떨어진 거리가 멀수록 적은 에너지를 받는다.
가설 설정	□지구는 태양으로부터 1AU 떨어져 있는데 지표면의 온도는 288 K이다. 그렇다면 태양계 내의 다른 행성들의 태양에서 떨어진 거리와 복사 평형 온도 사이에는 어떤 관계가 있는지 가설을 세워 봅시다.	□태양으로부터 멀리 떨어진 행성일수록 복사 평형 온도는 낮아질 것이다	□여러 사람이 자유 토의식으로 발표케 하여 가장 좋은 가설을 설정하도록 한다.
실험 설계	□태양으로부터 떨어진 거리가 멀수록 복사 평형 온도가 낮다는 가설을 검증하기 위하여 실험을 하려면 어떻게 하는 것이 좋을까요? □실험에 필요한 실험 기구와 재료는 어떤 것이 있을까요? □위 실험에서 독립 변인은 무엇인가? □위 실험에서 종속 변인은 무엇인가? □위 실험에서 통제해야 할 외래 변인은 무엇인지 실험조별로 토의한 후 발표케 한다.	□온도계를 꽂은 검은 깡통을 광원으로부터 거리를 다르게 설치한 후 온도를 측정하여 비교해 본다. □검은 깡통 4개, 온도계 4개, 백열 전등(200W), 줄자, 시계 □전구와 컵간의 거리 □컵속의 최종 온도 ① 바람이 잘 통하지 않는 곳에서 실시한다. ② 깡통을 완전히 밀폐시킨다. ③ 온도계는 컵 속의 중앙에 설치한다.	□전혀 엉뚱한 변인을 발표하더라도 모두 허용하도록 한다. 그런 다음 발표된 변인들 중 통제가 필요없는 변인에 대하여는 교사 중심의 집단 토의를 거쳐 제거하도록 한다.

학습 과정	교 수 - 학 습 활 동		유 의 점
	교 사	학 생
실험 설계	□앞에서 찾아낸 통제되어야 할 변인들을 잘 고려하여 실험 순서를 결정하여 발표시킨다.	④ 주위에 다른 열원이 없어야 한다.⑤ 깡통 주위에 빛을 반사시키는 물체가 없도록 한다. ⑥ 실험 전 깡통 속의 온도가 모두 같도록 한다. ⑦ 깡통이 광원을 서로 가리지 않도록설치해야 한다. ① 전구를 설치한다. ② 검은 깡통 4개에 온도계를 꽂고 완전히 밀봉한다. ③ 전구를 중심으로 반지름이 15, 30, 45, 60cm가 되도록 호를 그린다. ④ 깡통을 전구가 가려지지 않도록 지그재그로 배열한다. ⑤ 컵 속의 처음 온도를 읽는다. ⑦ 전구를 켜고 시간을 읽는다. ⑧ 컵속의 온도가 일정할 때까지 매 2분 간격으로 온도를 읽어 기록한다. ⑨ 그래프를 그린다.
가설 검증 실험 단계	□앞에서 설계한 순서에 따라 실험을 수행하도록 한다. □온도가 일정해질 때까지 시간에 따른 온도를 측정하고 그래프를 그리고 해석하도록 한다. □전구에서부터의 거리와 복사 평형 온도와의 관계는 어떤가요?	□실험을 수행한다. □온도 측정, 도표 작성, 그래프 작성, 및 독립 변인과 종속 변인 사이의 관계 해석 □거리가 멀수록 평형 온도는 낮다. 즉 온도 변화는 거리의 제곱에 반비례한다.	□일정한 시각에 온도를 정확히 읽도록 유의한다.
가설 수용 또는 수정 단계	□컵을 전구에서부터 같은 위치에 놓았을 때 각 컵의 복사 평형 온도는 어떨까요? □컵을 행성이라고 가정하면 태양에서 가장 가까운 수성의 온도가 가장 높고 태양에서 가장 먼 명왕성의 온도가 가장 낮다고 볼 수 있을까요?	□모두 같을 것이다. □태양에서 가장 가까이 있는 수성의 온도가 가장 높고 먼 행성일수록 점점 낮을 것이다.
적용 또는 새로 운 문제 발견 단계	□금성은 수성보다 태양에서 더 멀리 떨어져 있는데도 불구하고 온도가 더 높다. 그 이유는 무엇일까요? □행성이 대기를 가지려면 어떤 조건이 필요합니까? □그렇다면 왜 수성은 대기를 갖고 있지 못할까요?	□금성은 두꺼운 CO2를 갖고 있어 온실 효과를 일으키기 때문이다. □표면 온도가 낮고 표면 중력이 커야한다. □표면 중력이 작은 수성은 표면 온도가 너무 높아 대기가 이탈해버렸다고 생각된다.	□기체 분자 운동 속도와 이탈 속도 설명