시선추적기법을 적용한 예비과학교사들의 탄소중립 개념 이해 수준에 따른 시선 패턴 분석

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 예비과학교사 대상으로 시선추적기법을 적용하여 탄소중립 교육자료와의 시각적 관심과 상호작용 패턴을 이해함으로써, 탄소중립 과학적 개념의 이해력이나 지식 통합에 어려움을 겪을 수 있는 영역을 식별하고, 과학학습에 관한 인지 수준 차이에 따른 시각자료의 이해 정도를 분석하는데 목적이 있다. 이 연구의 구체적 목표는 1) 탄소중립에 대한 예비과학교사의 인식과 2) 개념 이해 수준을 분석하고 이에 따른 3) 탄소중립교육을 위한 시각자료에 나타나는 시선 패턴을 파악하는 것이다.
연구방법으로는 2015 개정 과학과 교육과정의 교과서와 IPCC 기후변화 보고서 및 환경부의 탄소중립 교육자료에 수록된 자료를 활용하여, 탄소중립 개념 수준을 측정할 수 있는 검사지 개발 및 시선추적 실험을 위한 시각자료를 개발한 후 시선운동을 측정하였다. 중부권 소재 대학교의 예비과학교사 37명이 자발적으로 실험에 참여하였고, 이 중 20명의 시선추적 데이터를 분석하였다. 각 연구참여자의 탄소중립에 대한 인식 및 개념 이해 수준을 구분하고, 탄소중립에 대한 개념 이해 정도에 따라 탄소중립교육 시각자료에서 나타나는 시선운동의 차이를 분석하였다.
연구결과, 첫째, SSP 기후변화 시나리오 중 최소탄소배출 시나리오가 실현 가능하다고 믿는 연구참여자는 5.5%에 불과한 것으로 나타났다. 이는 ‘2050 탄소중립’ 달성 가능성에 대한 부정적인 인식을 의미한다. 또한 탄소중립에 대한 전반적인 평균 지식수준은 52.1점으로 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 둘째, ‘2050 탄소중립’ 개념을 적용하여 2100년까지의 탄소 배출량과 제거량을 예측하는 모델링 활동을 수행한 결과, 연구참여자의 51%가 탄소순환의 배출과 제거를 고려한 정량적 데이터를 해석하기보다 탄소 배출량이 계속 증가할 것이라는 패턴 매칭을 생각하는 오개념을 갖기도 하였다. 또한 누적 탄소 농도를 예측하기 위한 모델링 활동에서 연구참여자의 62%가 예측된 데이터에 이산화탄소 농도의 계절적 변동을 표현하였으나, 24%는 순 이산화탄소의 배출량과 누적 농도의 인과 관계를 제대로 이해하지 못한 결과를 보였다. 셋째, 탄소중립관련 시각자료에 대한 연구참여자들의 시선운동은 글 영역에 제시된 정보에 크게 영향을 받는 것으로 나타났고, 그래프의 경우 축의 정보보다는 주로 데이터 영역에 관심이 집중되었다. 또한, 그래프, 표 등의 여러 시각적 자료를 동일한 기능과 범주에 배열했을 때 연구참여자들은 개념을 설명하는 자료나 왼쪽에 배치된 시각적 자료에 가장 많은 관심을 보였다. 이는 특정 위치나 순서에 선호가 있음을 의미한다. 개념 이해도가 낮고 요소 간의 인과 관계를 제대로 파악하지 못한 연구참여자들은 집중력과 전반적인 시선흐름이 크게 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 개념적 이해가 시각자료에 대한 관심과 참여에 영향이 있음을 나타낸다.
이러한 연구결과를 통해, 탄소 배출과 흡수의 원리인 탄소순환은 지구 시스템의 복잡한 과학 개념 중의 하나로 올바른 탄소중립 개념의 이해와 실천을 위해서는 다양한 학문적 접근이 필요하며, 탄소중립교육은 다양한 시각자료를 활용하여 이루어지기 때문에 시각적 자료를 해석하는 방법과 고려해야 할 측면에 대해 명확한 설명을 제공하는 교육프로그램 개발이 필요함을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to analyze the level of comprehension of visual materials according to the difference in cognitive level of science learning by identifying areas where understanding of carbon-neutral scientific concepts or knowledge integration may be difficult through understanding of visual interest and interaction patterns with educational materials on carbon-neutral themes using eye-tracking techniques for pre-service science teachers. The specific goal of this study is to analyze 1) pre-service science teachers' perception of carbon neutrality and 2) the level of understanding of the concept, and 3) to understand the gaze pattern appearing in visual materials for carbon neutral education.
As a research method, this study utilized data from climate change-related textbooks from the 2015 curriculum, the IPCC climate change report, and carbon neutral education materials provided by the Ministry of Environment. Based on this data, a test sheet was developed to measure the level of carbon neutrality and to provide a perspective for conducting eye-tracking experiments. Thirty-seven pre-service science teachers from universities in the central region voluntarily participated in the experiment, and eye-tracking data from 20 of them were analyzed. The participants' level of awareness and understanding of the concept of carbon neutrality were categorized, and differences in gaze movement within visual materials for carbon neutral education were analyzed based on the participants' level of concept understanding.
As a result of the study, first, it was found that among the SSP climate change scenarios, only 5.5% of the research participants believed that the minimum carbon emission scenario was feasible. This indicates a negative perception regarding the possibility of achieving carbon neutrality. Additionally, the overall average knowledge level of carbon neutrality was found to be relatively low at 52.1. Second, modeling activities were conducted to predict carbon emissions and removals by 2100 using the concept of '2050 carbon neutrality'. The results showed that 51% of the research participants believed that carbon emissions would continue to increase, rather than interpreting the quantitative data that considered the emissions and removals of the carbon cycle. This indicates a misconception of pattern matching. Furthermore, during the modeling activity aimed at predicting cumulative carbon concentration, 62% of the participants accurately expressed the seasonal variation of carbon dioxide concentration in the predicted data. However, 24% of the participants did not properly understand the causal relationship between net carbon dioxide emission and cumulative concentration. Third, it was found that the gaze movement of the research participants regarding visual data related to carbon neutrality was strongly influenced by the information presented in the writing area. When it came to graphs, their interest was primarily focused on the data area. Furthermore, when multiple visual data, such as graphs and tables, were arranged within the same function and category, the research participants paid the most attention to materials that explained the concepts or visual data placed on the left. It was also observed that participants with a lower level of conceptual understanding and those who did not properly grasp the causal relationship between elements exhibited a significant decrease in concentration and overall gaze flow.
Based on the research results, it is evident that the carbon cycle is a complex scientific concept within the Earth system, and various academic approaches are required to understand and practice the correct concept of carbon neutrality. This suggests that it is necessary to develop an educational program that offers clear explanations on how to interpret the visual data and what aspects to consider when working with it.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구문제 7
• 3. 용어의 정의 8
• 4. 연구의 제한점 11
• Ⅱ. 이론적 배경 13
• 1. 기후변화와 탄소중립 개념 연구 13
• (1) 기후변화 원인 및 현황 13
• (2) 탄소중립 개념 21
• 2. 탄소중립 개념 분석을 위한 시선추적 활용 연구 25
• (1) 시선추적기법 25
• (2) 과학교육에서 시선추적 활용 29
• 3. 2015 및 2022 개정 과학과 교육과정 30
• (1) 기후변화와 탄소중립 내용요소 분석 30
• (2) 탄소중립교육 선행연구 38
• Ⅲ. 연구방법 41
• 1. 연구절차 41
• 2. 연구대상 42
• 3. 연구도구 43
• (1) 탄소중립 개념 이해 검사지 43
• (2) 탄소중립 개념 이해 시각자료 45
• 4. 실험설계 49
• 5. 자료 수집 및 분석 50
• (1) 자료 수집방법 50
• (2) 자료 분석방법 52
• (3) 자료 분석의 신뢰도 55
• Ⅳ. 연구결과 및 논의 57
• 1. 탄소중립 인식 분석 57
• (1) 미래 기후변화 전망 57
• (2) 탄소중립 이해 59
• 2. 탄소중립 개념 분석 60
• (1) 탄소 배출 그래프를 통한 탄소중립 개념 이해 60
• (2) 탄소 농도 그래프를 통한 탄소중립 개념 이해 67
• 3. 탄소중립 시각자료에서 나타나는 시선운동 분석 75
• (1) 시각자료에서 나타나는 시선응시 75
• (2) 시각자료에서 나타나는 시선흐름 87
• Ⅴ. 결론 및 제언 93
• 참고문헌 99
• 부록 1. 질문지 108
• 부록 2. 탄소중립교육용 시각자료 114
• 부록 3. 학생질문지 116

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