현대적 과학교육 목표는 학생들이 과학 지식과 방법에 대한 이해를 습득하도록 교육하는 것에 국한되는 것이 아니라, 효과적인 시민권 행사에 필요한 안목과 능력을 배양하는 것을 강조하고 있다. 이에 과학교육 공동체는 과학 소양을 갖춘 시민을 양성하기 위해 학생들의 바람직한 과학의 본성(nature of science, NOS) 이해를 필수적 목표로 교육해야 한다는 데 의견 일치를 보여 왔다.
지금까지 학생들의 NOS 이해는 과학을 접하다 보면 어떤 식으로든 형성되는 부가적인 산물로 여겨져 온 까닭에, 과학교사가 학생들의 NOS 이해를 증진하는 것이 인지적 학습 목표에 해당한다는 사실을 인식하여, 명시적으로 가르치고 체계적으로 평가하도록 하는 것은 NOS 교육의 중요성에 대한 바람직한 신념을 기르기 위한 노력을 통해 촉진될 수 있다. 그것은 과학교사들이 NOS 특이적 전문 지식을 충분히 알고 있는 것만으로는 자동으로 자신의 이해를 수업에 반영하고 그 이해와 일관되게 가르치고자 의도할 것으로 가정할 수 없기 때문이다. 따라서 NOS 교수 전문성 연구의 핵심 질문은 교사들이 ‘아는 것이 무엇인지 밝히는 것’에 더하여, ‘아는 것을 행하도록 이끄는 동력이 무엇인지 밝히는 것’, 즉 과학교사가 소유한 NOS 지식이 교수 실행에 전이되도록 하는 데 관여하는 요인은 무엇인지, 그 영향력은 어떠한지 살펴보는 것에 해당한다.
본 연구의 목적은 NOS 교육의 내실화를 위한 교사교육의 개선에 이바지하는 것이다. 이를 추구하고자, NOS 교수 전문성 증진을 목표로 하는 프로그램을 적용하는 과정 및 결과에 나타난 예비 지구과학교사의 ‘NOS 주제 특이적 PCK(NOS-specific pedagogical content knowledge, NOS-PCK)’ 양상을 탐색하고, 예비 지구과학교사의 NOS-PCK 양상, 과학교수지향 및 NOS 교수에 대한 신념 사이의 관련성을 NOS 교수 의지 측면에서 조사하는 두 가지 연구 목표를 정하였다.
이와 같은 연구 목표를 성취하고자, 사례 연구 방법을 적용하여 예비 지구과학교사 5명의 개인적 NOS 특이적 전문 지식, 즉 NOS 내용 지식 및 명시적, 반성적 NOS 교수 전략에 대한 이해 양상을 다각적으로 조사하였고, NOS 교수 전문성 프로그램 참여 중에 작성한 NOS 교수 계획과 학교현장실습에서 사용한 수업계획안을 통해, NOS 특이적 전문 지식에 대한 이해가 어떻게 개인적 NOS-PCK와 교수 실행에 투영되는가 확인하였다. 또한, 예비 지구과학교사 5명의 과학교수지향, NOS 교수에 대한 신념을 조사하여, NOS-PCK와의 관련성을 NOS 교수 의지 측면에서 탐색하였다.
먼저, 사례별 자료 분석을 통해 도출한 예비 지구과학교사 5명의 NOS-PCK 양상을 탐색한 결과는 다음과 같다.
첫째, 예비 지구과학교사 5명은 학생들의 NOS 이해 역시 다른 과학내용지식과 마찬가지로 학생들의 인지적 학습의 산물에 해당한다는 사실을 인식하게 되었고, 보편적 NOS 및 가족유사성 접근 NOS(family resemblance approach to NOS, FRA-NOS) 내용 지식에 대한 이해력은 전문가 수준으로 발달하였다.
둘째, 예비 지구과학교사 5명 모두 NOS 내용 요소와 과학 주제를 연계하는 반성적 교수 계획에 자신의 개선된 NOS 내용 지식을 충분히 반영할 수 있는 능력을 보여주었다. 또한, NOS 교수 전략으로서 명시적, 반성적 접근을 이해하고 적용할 수 있는 능력에 대해서도 스스로 그 발전을 인정하였다.
셋째, 예비 지구과학교사 5명 중 2명은 자신의 학교현장실습 중 수업에서 과학의 잠정성 측면을 언급했다고 밝히기는 했지만, 실제 수업에 적용한 수업계획안에서 NOS 내용 요소를 찾을 수는 없었다. 1명의 예비 지구과학교사는 고등학생을 대상으로 한 지구과학Ⅰ 수업에서 그 학습 목표에 NOS 관련 목표를 명시하였고, 학습 주제와 자연스럽게 연계할 수 있는 NOS의 내용 요소를 교수 실행 내에서 구현하였다. 비록 학생들에게 반성적 사고의 기회까지 제공하지는 않았지만, 자신의 긍정적 NOS 교수 의지를 실제 교수 실행에 투영하고자 노력한 결과에 해당하였다. 나머지 2명의 예비 지구과학교사는 긍정적인 NOS 교수 의지를 형성하였으나, 실습 중의 상황적 요인으로 인해 NOS 내용을 가르칠 수 없었다고 밝혔다. 결과적으로 학교현장실습 중에 직접 중·고등학생들을 가르쳐 본 경험은 예비 지구과학교사 5명에게 학생들의 과학 학습에 대한 열의 부족과 과학교사의 수업 고충을 대면하게 하였고, 이에 NOS를 명시적으로 가르치는 것의 어려움을 더욱 크게 부각하였다.
다음으로, NOS-PCK, 과학교수지향 및 NOS 교수에 대한 신념과 NOS 교수 의지 사이의 관련성을 조사한 결과에서 NOS 교수 전문성 프로그램 참여를 통한 예비 지구과학교사 5명의 NOS 교수 의지의 변화는 크게, 더욱 확고한 의지를 갖게 된 3명과 오히려 부정적 의지로 변화한 2명의 사례로 양분할 수 있다.
우선, 오히려 NOS 교수를 기피하는 의사를 분명히 나타낸 2명은 과학을 논리적이고 합리적인 자연의 진리를 추구하는 학문이라고 여기는 객관주의적 인식론을 소유하였고, 과학 교수·학습관은 지식 전달 중심의 전통주의적 관점에 머물러 있었다. 또한, 과학을 가르치는 데 있어서 가장 중요한 목표는 학생들의 과학 지식 이해에 있다고 여기는 진심을 표출하였다. 이에 NOS를 가르치는 것이 학생들의 과학 학습에 도움이 되지 않을 것이라는 믿음을 적용한 결과, NOS 교수를 꺼리는 결과를 낳았다. 이들이 NOS 교수 전문성 프로그램 참여 과정에서 보여준 NOS 교수 의지의 변화는 자신의 NOS-PCK 발달이나, 현시점의 과학교육과정 지침, 현대적 과학교육의 목표들이 과학교사에게 요구하는 바와 별개로 나타났다.
위의 경우와는 반대로 NOS 교수 전문성 프로그램 참여를 통해 명시적 NOS 교수에 대한 긍정적 의지를 더욱 확고히 한 3명의 예비교사는 학생 중심의 구성주의적 교수·학습을 지향하였으며, 구성주의 과학 인식론을 표출하였다. 결과적으로 3명의 예비교사는 과학의 보편성은 물론, NOS 개념 자체의 논쟁성, 과학의 외부 사회학적 범주의 속성들까지 모두 포괄하여 교육하는 것에 대해 더욱 긍정적인 태도를 보였다.
이상의 연구 결과에 기초하여, 예비 지구과학교사의 NOS-PCK 양상에 나타난 공통성과 다양성을 기술하면서 그 함의를 논하였고, 본 연구의 NOS 교수 전문성 프로그램 참여를 통한 예비 지구과학교사의 개인적 NOS-PCK의 발달과 NOS 교수 의지 사이에 낮은 상관관계, 그리고 기존 과학 인식론 및 과학교육 목표 인식이 NOS 교수 의지 형성에 미친 영향에 대한 결론을 제시하였다. 이어, 본 연구의 목적에 부합하는 NOS 교수 전문성 프로그램 투입을 통해 파악된 과학교사를 위한 NOS 교육에 대한 시사점, 예비 과학교사의 NOS 교수 전문성 제고를 위한 내용 및 방법에 대한 실천적 논의 및 NOS 교육이 나아가야 할 방향을 제시하였다. 마지막으로는, 본 연구의 한계를 고려하여 후속 연구를 위해 제언하였다.

The goals of science education are not limited to teaching students to understand scientific knowledge and methods but emphasize the development of their insight and ability required to practice citizenship efficiently. There is a consensus among science educators that understanding ‘nature of science (NOS)’ is vital to the development of the scientifically literate citizenry.
The inherent value of NOS comes out when it shows authentic science through various scholastic lenses, and NOS is a fundamental area which guides teachers to portray science accurately to students. However, K-12 teachers typically do not possess adequate concepts of NOS and these are not automatically or necessarily translated into classroom practices. In these respects, there are several prerequisites for teaching NOS effectively; to enhance the teachers’ ‘NOS-specific professional knowledge (NOS-SPK)’ and to inspire them towards a more positive intention of teaching NOS in order to improve teaching and learning NOS, because heretofore learning NOS has been regarded as a by-product of learners’ engagement in science-based activities or learners’ just facing science rather than a result from their cognitive learning.
The purpose of this research has two folds. One is to investigate the aspects of prospective earth science teachers’ NOS-PCK, and the other is to describe the relationship among their NOS-PCK, orientation to teaching science, and beliefs about teaching NOS in the aspect of the intention of integrating NOS in their future classroom practices within a structure of intervention for the development of the expertise to teach NOS.
Five prospective earth science teachers participated in the professional development program, which was implemented in the form of an NOS-dedicated intensive course for 12 contact hours within 10 weeks. NOS-SPK included in the program focused on two components. One is general NOS tenets and ‘family resemblance approach to NOS (FRA-NOS)’ and the other is ‘explicit and reflective approaches (ERA)’ as content knowledge and strategies. The program incorporated varied degrees of contextualization of science contents and endeavored to provide prospective teachers with opportunities to support efficient understanding of NOS and ERA through the use of some reading materials and activities.
Data included prospective teachers’ 1) written and interviewed responses for open-ended questionnaires regarding the ideas about NOS, orientation to teaching science from the starting point of the program and changes in beliefs about teaching NOS in the process of and as a result of the program, 2) pre and post written responses and follow-up interviews of ‘Views on the Nature of Science questionnaire-C (VNOS-C)’ and ‘Views about Scientific Inquiry (VASI)’, 3) written responses for open-ended questionnaires regarding the perception of FRA-NOS, 4) pre and post Likert scale responses to ‘the Survey of Beliefs about Teaching NOS’ regarding seven aspects of beliefs about and intention of teaching NOS; self-efficacy, outcome expectancy, perceived and described norms, cognitive and affective attitudes, intention of integrating NOS in their future classroom practices, 5) reflective writings concerned with what aspects of NOS to teach and how to teach those aspects in conjunction with science contents, and 6) lesson plans used in the field training.
The results of this case study, drawn from the analysis of the collected materials above, are as follows.
First, the investigation into the aspects of five prospective teachers’ NOS-PCK shows the following two results.
1) Five prospective teachers recognized students’ understanding NOS as a product of students’ cognitive learning like other science content knowledge, and all prospective teachers’ cognitive understanding of NOS content knowledge shifted toward more aligned level for teaching NOS adequately. Three out of five prospective teachers applied informed knowledge of NOS and ERA effectively to their writings expressing sophisticated rationale for their choices. However, two of them showed less applicability to ERA than understanding NOS content knowledge though they admitted the development of their abilities to apply a specific and reflective approach as a strategy for teaching NOS.
2) Two out of the five prospective teachers expressed that they had covered the tentative aspect of science in their field training classes, but they included no NOS contents specifically as a learning goal in their teaching plans. One prospective teacher specified the goal related to NOS in her teaching plan used in the student teaching process and put NOS contents naturally into practice in the class. Though the opportunity for reflective thinking was not given to students, this is a good case in which a prospective teacher implemented her intention of teaching NOS. Another two prospective teachers expressed that, in spite of their positive intention of teaching NOS, they had taught no NOS contents because of some situational restrictions.
Conclusively, prospective teachers who experienced their teaching practices as student teachers in the classroom of a junior high or high school faced the important fact that many students had no strong willingness to learn science and science teachers had a lot of difficulties in teaching their subject to students uninterested in science, and it is clear that their experiences led them to be confronted with the hardships in teaching NOS in the science classes.
Second, in an investigation into the relationship among their NOS-PCK, orientation to teaching science, beliefs about teaching NOS, and intention of integrating NOS in their future classroom, the change of five prospective teachers’ intention of teaching NOS through the NOS-professional development program is divided into two groups; three participants who have their strong mind more in favor of teaching NOS and two participants who change their mind to be against teaching NOS.
Two prospective teachers who are sure to be against teaching NOS have objectivists’ epistemology in that they regard science as a system of holy logic which seeks natural truth and they show their traditional pedagogical views, which are teacher-centered. They also express that the most important goal of teaching science is students’ understanding scientific knowledge. Therefore, as a result of applying their belief that teaching NOS is not helpful for students’ learning science, they avoided teaching NOS.
On the contrary to the above two participants, three with their strong positive intention to teach NOS aimed at student-centered, constructive teaching and learning and they revealed constructivists’ epistemology of science. As a result, three prospective earth science teachers showed more positive attitudes toward the inclusion of the universality of science as well as the controversy of the concept of NOS itself, and the attributes of the external sociological aspects of science included in the FRA-NOS model.
Based on the results of this case study, three essential points are discussed; 1) some implications of the commonality and diversity found in the patterns of the five prospective earth science teachers’ NOS-PCK, 2) the low correlation between the prospective earth science teachers’ personal development in NOS-PCK and their intention to teach NOS, and 3) the influence of their prior epistemology of science and perceptions of the goals of science education on the development of their willingness to teach NOS.
Next, three important ideas are proposed; 1) some implications related to NOS education for science teachers, which were identified through the input of a professional development program of NOS to meet the purposes of this study, 2) practical discussions about both contents and methods to enhance prospective science teachers’ professional ability to teach NOS, and 3) the right direction in which the future-oriented science education of NOS should move forward.
Finally, some suggestions for the purpose of promoting more further studies are given, which take the limitations of this study into consideration.