과학영재 소집단 협업 평가에서 언어적 상호작용의 지위 및 유형에 따른 성취도 향상과 발화 특징 분석

참여자들의 언어적 상호작용 활성화를 위해 특수상대성이론을 주제로 인지 갈등을 유발하는 고난이도 문항지를 제작하였다. 먼저 상대성이론에 대한 개념 조사를 실시한 선행연구(박동규, 2016; 김범재, 2018)에 제시된 문항 중 일부를 원형을 유지하여 활용하고, 일반물리학 (Serway, 2021), 현대물리학(Taylor et al., 2005), Spacetime Physics(Taylor & Wheeler, 1992)에서 제시한 상황을 문제화하여 총 13개 문항의 예비 문항을 준비했다. 과학영재학교 2학년 5명을 대상으로 예비 문항에 대한 검사를 실시하여 정답률이 100%에 가까운 문항을 제외한 후 최종 8문항을 선정하였다. 문항별 문제 상황, 평가 개념 및 출처는 <표 1>과 같다.

1~7번 문항은 사전·사후 평가에서 같은 문제 상황 내에서 조건과 질문을 부분적으로 달리하였고, 8번 문항은 문제 상황이 다른 유사 문항으로 구성하였다. 사전 평가와 사후 평가의 동질성은 [그림 2]의 문항 예시로서 보이고자 한다. [그림 2]는 본 연구에서 사용한 사전 및 사후 문항지의 8번 문항을 나타낸 것이다. 두 문항 모두 사다리-헛간 역설의 변형 문제로, 사전 문항의 뱀-도끼의 문항 형태는 사후 문항에서 자-구멍의 형태로 바뀌었다. 두 문항을 풀기 위한 개념은 같으며, 문항의 구조 역시 매우 유사하다. 또한, 사전 문항과 사후 문항은 모두 물리교육 전문가 1인과 과학영재학교 물리 교사 2인의 검토를 거쳐 내용타당도를 확보하였다.

모든 문항은 2~4개 선택지를 가진 선택형 문항이며, 풀이 과정을 작성하도록 하여 정답과 풀이 과정이 모두 타당한 경우만 정답처리 하였다.

그림 2. 사전·사후 문항 예시

Download Original Figure

Chan과 Galton(1999)의 연구에 따라 무임승차 가능성을 줄이고 합의 도달을 용이하게 하기 위해 4인 1조로 구성하여, 총 48명을 12개 모둠으로 편성하였다. 본 연구 직전에 실시한 물리 과목 지필평가 성취도를 기준으로 학생들을 상위 그룹부터 A, B, C, D로 구분하고, 각 모둠에 A, B, C, D 그룹에서 각각 한 명씩 포함시켜 이질집단으로 구성하였다. 모둠 번호는 1에서 12번까지 부여하였고, 모둠 번호와 그룹명을 조합하여 학생을 명명하였다. 예를 들어, 3모둠에서 지필평가 성취도가 가장 높은 학생은 ‘3A’, 가장 낮은 학생은 ‘3D’이다. 사전 문항의 점수로 그룹을 설정하지 않고, 연구 직전 실시한 지필평가 성취도를 기준으로 그룹을 분류한 이유는, 사전 문항의 개인별 풀이와 집단 토의가 곧바로 이어지기 때문이다. 사전 문항을 개인별로 풀고 난 후 이에 대한 채점을 하여 그룹을 설정하려면 집단 토의가 바로 이루어지지 못하고, 그러한 경우는 학생들이 자신이 문제를 풀 때 사용한 논리를 잊게 될 가능성이 있다고 판단하였다.

<표 2>는 평가 과정을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 2단계 협업 평가를 실시하고, 일주일 후에 사후 평가를 진행하였다. 2단계 협업 평가 중 단계Ⅰ에서는 각 학생이 개인별로 20분 동안 사전 문항지를 풀고 연구자에게 제출하였다. 연구자는 이를 바로 복사하여 학생 개인별로 본인의 답안에 대한 복사본을 배부하였다. 단계Ⅱ는 모둠별 협업 평가이다. 각 모둠은 독립된 공간으로 이동하여, 30분 동안 단계Ⅰ과 동일한 문항들에 대해 자유로운 토론을 거쳐 하나의 합의된 답안을 도출하였다. 이때 학생들에게는 ‘각자의 생각을 근거에 기반해 자유롭게 교환하고, 논리적 타당성을 중심으로 토론을 통해 합의할 것’을 요구하는 간단한 안내가 주어졌다.

본 연구에서는 모둠 내 개인의 지위에 따른 성취도 향상과 발화 특성, 모둠의 유형에 따른 성취도 향상과 발화 특성을 분석하고자 하였으므로 상호작용 과정 전체를 세밀히 기록해야 했다. 이를 위해 360° 카메라와 녹음기로 전체 토론 과정을 기록하였다. 2단계 협업 평가가 끝나고 일주일 후에는 개인별로 20분 동안 사후 문항지를 작성하였다.

모둠원의 위세 중심성 점수를 모둠 내에서 위세 중심성 점수가 가장 큰 주도자의 점수로 나누어 그 비율을 <표 8>에 나타내었다. 각 모둠 내에서 위세 중심성 점수가 가장 높은 학생을 주도자로 정의하여 모든 모둠에 주도자가 1명씩 있기 때문에 주도자는 12명, 비율이 0.5 이상인 보조자는 30명, 0.5 미만인 주변자는 6명으로 분류되었다. 주변자가 있는 모둠은 5개(2, 8, 10, 11, 12), 주변자가 없는 모둠은 7개(1, 3, 4, 5, 6, 7, 9)였다. 11모둠은 주변자가 2명 존재하는 특징을 보였다.

표 8. 모둠별 주도자에 대한 위세 중심성 점수 비율과 지위

Download Excel Table

주도자 12명 중 5명은 모둠 내에서 지필평가 성취도가 가장 높은 학생(A)이고, 성취도가 가장 낮은 학생(D)은 주도자가 1명 뿐이었다. 주변자의 경우 전체 6명 중 4명이 성취도가 가장 낮은 학생(D)이었다. 이는 주도자나 주변자의 역할에 성취도가 어느 정도 영향을 미치고 있음을 보여준다. 하지만, A가 항상 주도자는 아니었으며, 일부 모둠에서는 B그룹과 C그룹에서도 각각 3명이 있었고, D그룹에서도 주도자가 1명 있었다. 사전 평가 점수로 각 그룹이 설정된 것이 아니고 연구 직전에 실시된 지필 평가 점수를 기준으로 그룹이 설정되었기 때문에, 역할에 성취도가 어느 정도 영향을 미치고 있다는 해석은 좀 더 조심스럽게 기술되어야 한다. 본 연구에서 말하는 성취도란 상대성 이론과 관련된 사전 사후 문항에 대한 점수가 아니라, 더 넓은 범위에 대해 이루어진 지필 평가에 대한 성취도를 말한다. 따라서, 모둠 내 지위에 성취도가 영향을 미쳤다는 것은, 해당 문항을 얼마나 잘 풀었는지에 한정된 것이 아니라 평소 그 학생이 물리를 얼마나 잘하는 학생으로 동료들에게 비춰졌는지에 더 가깝다.

<표 9>는 개인별 사전·사후 평가 결과와 이를 이용하여 구한 Hake 지수를 나타낸 것이다. 사전 평가 만점자 3명(2A, 2C, 4A)은 계산 불가능하여 분석에서 제외하였다. <표 10>은 만점자 3명을 제외한 45명에 대한 지위별 Hake 지수 평균을 제시한 것이다. Hake 지수 평균은 주도자, 보조자, 주변자 순으로 높게 나타나 지위에 따른 성취도 향상 차이를 보였다. Hake(1998)의 기준에 따르면 활동 중심 수업의 평균적 성취는 Hake 지수 0.48에 가깝다고 제시하였다. 본 연구에서 주도자 집단의 성취도 향상은 Hake(1998)의 연구에서 제시된 수치보다 약간 더 높고, 보조자와 주변자는 더 낮은 것으로 확인됐다. 전체 평균은 0.375로 토론식의 활동형 수업임에도 불구하고, 선행 연구의 평균값보다 낮았다. 이는 이미 성취도가 높은 과학영재학교 학생들을 대상으로 고난이도 문항을 적용했기 때문으로 보이며, Hake 역시 성취도가 높은 학생의 경우 성취도 향상의 정도가 상대적으로 낮게 나타남을 지적한 바 있다.

주도자가 가장 높은 Hake 지수를 갖는 것에 대해서는 논의가 필요하다. 주도자는 성취도가 높고, 성취도가 높은 학생의 경우 Hake의 연구(1998) 결과에 따르면 낮은 Hake 지수를 보이는 것이 일반적이기에 이는 모순으로 보인다. 하지만, 본 연구에서 설정한 성취도는 사전 문항의 점수를 이용하여 분류한 것이 아니고, 연구 이전에 실시한 지필 고사 성적을 이용해 분류한 것이기 때문에 사전 문항 점수와 직접적으로 연관되지 않는다. 선행 연구에서 성취도가 높은 경우 낮은 향상도를 보이는 것은 이미 점수가 높아 그 점수를 올리기 어렵기 때문인데, 본 연구에서는 성취도가 높은 그룹으로 분류된 학생들의 사전 점수가 유의미하게 높지는 않다. A그룹으로 분류된 학생 중 사전 검사에서 만점을 받아 Hake 지수를 산출하는데서 제외된 2명의 학생을 제외하면 A그룹의 사전 검사 평균 점수는 4.1이다. 전체 학생의 사전 검사 평균 점수가 3.9임을 고려하면, A그룹으로 분류된 학생들 역시 충분한 점수 향상의 기회가 있음을 알 수 있다.

지위별 개인의 Hake 지수 분포를 분석하기 위해 [그림 3]과 같이 그래프로 표현하였다. 지위별 Hake 지수 분포를 살펴보면, 주도자 10명 중 7명이 0.5 이상의 높은 향상도를 보였다. 보조자는 주도자에 비해 상대적으로 넓은 범위에 고르게 분포하였다. 반면 주변자는 6명 중 3명이 Hake 지수가 0 미만으로 사전보다 사후 평가에서 점수가 낮아졌다. Hake 지수를 산출한 전체 45명의 학생 중 10명의 학생은 Hake 지수가 0이고, 5명의 학생은 Hake 지수도가 음수였다. 이와 같은 현상은 바로 위 문단에서 밝힌 바와 같이 Hake가 지적한 높은 성취도를 갖는 학생의 낮은 성취도 향상 효과에 기반하는 것으로 보인다. 전체적으로 선행연구(Hake, 1998)에 비해 낮은 성취도 향상도를 보이며, 성취도 하락 역시 관찰되는 것이다. 향상도가 음수인 학생들의 사전 평가 점수 평균은 4.4로 전체 학생의 사전 점수 평균 3.9에 비해 높다는 점 역시 주목할만 하다.

그림 3. 지위별 개인의 Hake 지수 분포

Download Original Figure

지위별 상위 수준 발화 비율은 <표 11>과 같다. 평균 상위 수준 발화 수는 주도자, 보조자, 주변자 순으로 높게 나타나 주도자가 문제 해결에 가장 크게 기여했음을 보였다. 그러나 전체 발화 수에 대한 상위 수준 발화 비율은 지위 간 뚜렷한 차이가 없어, 주변자도 제한된 발화 속에서 질적으로 중요한 기여가 가능함을 시사했다.

지위별 소범주 발화 빈도 및 비율은 <표 12>와 같다. 전반적으로 지위에 따른 소범주 비율의 차이는 크지 않았으나, 몇 가지 주목할 만한 특징이 있다.

주도자는 반복(S1), 해설(S3), 확장(S4) 의견 제시와 단순 반론(R2)에서 다른 지위보다 높은 비율을 보였다. 이를 통해 주도자는 자신의 주장을 강화하기 위해 동일한 의견을 반복적으로 제시하고, 문제 풀이 전반을 해설하며, 의견을 확장·발전시키는 경향을 보였다고 해석할 수 있다.

주변자는 확인 질문(Q2) 비율이 27.1%로 매우 높았으며, 이는 자신의 풀이에 대한 확신 부족으로 다른 참여자의 풀이를 반복 확인하는 경향을 보였다고 이해할 수 있다. 단순 설명(E1)과 내용 의견 제시(S2)는 비교적 높았지만, 이는 다른 모둠원의 질문에 대해 소극적으로 응답하는 경우가 많았기 때문이다. 반면, 주도적으로 의견을 제시하는 반복(E2), 상황(E3), 부가(E4) 설명이나 해설(S3), 확장(S4) 의견 제시는 거의 없었고, 기록 관련 발화에도 소극적 참여 태도를 보였다.

보조자는 주도자와 주변자 각각에게서 나타난 발화 비율의 사잇값을 보이거나, 주도자에 가까운 값을 보이는 경우가 많았다. 반면, 특정 소범주에서는 상대적으로 가장 높은 비율을 보이기도 했다. 이를 통해 보조자는 주도자와 주변자 사이에서 특정한 역할을 했음을 예상할 수 있다. 보조자는 단순 질문(Q1)과 수용(R1)의 비율이 다른 지위에 비해 가장 높았으며, 이는 부담이 적은 질문과 타인의 의견에 대한 수용적 반응을 통해 모둠 내 상호작용을 촉진하는 역할을 했음을 시사한다.

외향 연결 비율을 기준으로 상호작용 유형을 분류한 결과는 <표 13>과 같다. 전체 12개 모둠 중 소통형 4개(1, 5, 6, 7), 부분 참여형 6개(2, 3, 4, 8, 9, 12), 주도형 2개(10, 11)로 나타났다. 소통형 모둠은 12.5% 미만과 50% 이상 구성원이 모두 존재하지 않으며 비교적 고른 분포를 보였다. 부분 참여형 모둠은 12.5% 미만 구성원이 포함되어 일부 구성원의 제한적 참여를 보였다. 주도형 모둠은 50% 이상 구성원이 포함되어 특정 구성원이 상호작용을 주도했다.

지위와 외향 연결 비율의 관계를 [그림 4]와 같이 상자 수염 그림으로 표현하였다. 상자의 위쪽 경계는 3사분위 수(75%), 가운데 선은 중앙값(50%), 아래쪽 경계는 1사분위 수(25%)를 나타낸다. 상자의 위쪽과 아래쪽에 연결된 선은 수염이라고 칭하며, 상자 길이의 1.5배까지의 데이터 중 최댓값과 최솟값을 표현한다. 이를 통해 위세 중심성을 기준으로 정하는 지위가 외향 연결 비율과 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있다. 다시 말해서 구성원 지위와 상호작용 유형이 밀접한 상관관계를 보였다. 그 결과 모든 소통형 모둠에는 주변자가 존재하지 않으며, 모든 주도형 모둠에는 주변자가 포함되어 있었다. 반면, 부분 참여형 모둠에는 주변자가 포함된 모둠과 포함되지 않은 모둠이 모두 존재했다. 한편, 개인의 지위는 모둠 내 위세 중심성 점수의 상댓값을 기준으로 정의되어, 외향 연결 비율이 낮아도 보조자로 분류되는 경우가 있었다(3D, 4D, 9D). 이와는 반대로 모둠 내에서 외향 연결 비율이 가장 높지만, 주도자가 아닌 보조자로 분류되는 경우도 있었다(1B, 2A, 7B, 8A, 9B). 이는 지위가 높은 구성원과의 상호 작용이 많을수록 높아지는 위세 중심성의 특성을 반영한 결과로 해석할 수 있다.

그림 4. 지위에 따른 외향 연결 비율

Download Original Figure

NetMiner 4의 Spring-kk 모드로 모둠별 상호작용 유형을 [그림 5]와 같이 시각화하였다. 도형 모양으로 지위를 구분(: 주도자, : 보조자, : 주변자)하고, 크기로 위세 중심성 점수를 표현했다. 화살표는 굵기는 외향 연결 비율을 나타내며, 최소 기여도를 모둠 내 다른 세 구성원에게 균등 분배하는 이상적인 상황을 수치화하여 12.5%를 3으로 나누어 4.17%를 기준 단위로 설정하였으며, 기준 단위 미만의 미세한 연결은 생략했다.

그림 5. 모둠별 상호작용 유형 시각화

Download Original Figure

소통형 모둠은 화살표의 방향성과 굵기를 통해 네 구성원 모두 균형 있게 상호작용에 참여하며 활발한 상호 교류를 보였음을 확인할 수 있다. 주도자와 나머지 구성원 간 외향·내향 연결이 모두 형성되어 있어, 주도자가 상호작용의 중심 역할을 수행하면서도 쌍방향 의사소통이 활발했음을 알 수 있다.

부분 참여형 모둠은 일부 구성원 간 굵은 화살표가 집중되어 상호작용이 특정 인물들에게 편중되었음을 확인할 수 있다. 또한, 일부 구성원(2D, 3D, 8D)은 특정 구성원과의 제한적 소통만 보였다. 이는 상호작용의 불균형을 나타내는 것으로, 문제 해결에 일부 구성원의 실질적 기여가 부족했을 가능성을 시사한다.

주도형 모둠은 특정 구성원에게 상호작용이 과도하게 집중되고 다른 구성원들은 제한적이거나 일방향적 흐름을 보였다. 특히, 11모둠에서는 대부분의 상호작용이 11B와 11C 사이에서 집중적으로 이루어졌으며, 이 중 11B의 외향 연결 비율과 위세 중심성 점수가 현저히 높게 나타났다. 이러한 상호작용 구조는 문제 해결 과정에서의 효율성은 높일 수 있으나, 다양한 관점 공유에는 제약이 따를 수 있다.

<표 9>에서 제시한 Hake 지수 모둠 평균을 이용하여 상호작용 유형별 Hake 지수 평균값을 구하여 <표 14>에 제시하였다. 모든 상호작용 유형에서 Hake 지수가 0보다 큰 값을 나타내어 소집단 협업 평가를 통해 전반적으로 성취도 향상이 있었음을 확인하였다. 부분 참여형 모둠의 Hake 지수 평균이 가장 높게 나타났으나, 분산이 크고, 각 유형별 표본 수가 충분하지 않아 평균 간 비교의 통계적 유의성은 제한적이다.

상호작용 유형별 Hake 지수 분포를 나타낸 [그림 6]을 통해 부분 참여형 모둠 중 세 모둠(2, 3, 4)의 Hake 지수가 특히 높아 전체 평균이 높게 나타났다는 사실을 확인할 수 있다. 이 세 모둠에는 사후 평가 만점자가 모두 2명씩 있었으며, 그중 한 명은 모두 주도자였다. 반면, 부분 참여형 모둠 중 Hake 지수가 낮은 세 모둠(8, 9, 12)에는 사후 평가 만점자가 존재하지 않았다.

그림 6. 상호작용 유형별 Hake 지수

Download Original Figure

전체 발화 수에 대한 상위 수준 발화 수의 비율을 의미하는 상위 수준 발화 비율을 상호작용 유형별로 <표 15>와 같이 정리하였다. 평균 발화 수와 평균 상위 수준 발화 수는 소통형과 부분 참여형 모둠에서 높았고 주도형 모둠에서는 낮았다. 이는 주도형 모둠에서 상호작용이 일부 구성원에게 집중되어 발화가 제한된 범위에서 이루어졌기 때문으로 해석할 수 있다. 그러나 상위 수준 발화 비율은 유형 간 큰 차이가 없어, 각 유형 모두 일정 수준 이상의 질적 상호작용을 수행했음을 확인할 수 있다.

상호작용 유형별 소범주 발화 비율을 분석한 결과, 소통형과 부분 참여형은 대부분의 영역에서 유사한 비율을 보였다. 반면, 주도형 모둠은 일부 영역에서 차이를 보였다. 먼저, 주도형 모둠은 질문 영역(단순 (Q1), 확인(Q2), 심화(Q3))에서 상대적으로 높은 비율을 보였다(<표 16>).

이는 보조자 또는 주변자가 주도자에게 “길이 수축이 일어날 때 어떻게 일어나지?”와 같이 개념을 묻거나, “너는 어떻게 생각해?”와 같이 주도자가 다른 구성원의 생각을 확인하는 방식으로 나타났다. 의견 제시 영역의 해설(S3) 비율도 주도형에서 가장 높았으며, 이는 주도자가 소극적 구성원들에게 문제 풀이 과정을 상세히 설명하며 상호작용을 주도하는 경향이 있었음을 시사한다. 의견 받기 영역에서 주도형 모둠은 수용(R1) 비율이 가장 높았지만, 단순 반론, 중립, 수용적 확산, 논리적 반론은 모두 가장 낮았다. 이는 구성원들이 타인 의견을 비판적으로 검토하기보다 단순 수용하는 경향이 강하며, 적극적 상호작용이 제한적이었음을 의미한다. 기록 관련 발화도 주도형에서 가장 낮아, 주도자가 다른 모둠원과의 상호작용보다 자기 주도적으로 문답을 작성하는 경향을 확인할 수 있었다.