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Landsat 영상 및 인공 신경망 기법을 활용한 춘천 소양호 면적 및 가뭄 모니터링

Monitoring of Lake area Change and Drought using Landsat Images and the Artificial Neural Network Method in Lake Soyang, Chuncheon, Korea

엄진아 ( Jinah Eom ) , 박성재 ( Sungjae Park ) , 고보균 ( Bokyun Ko ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee )
  • : 한국지구과학회
  • : 한국지구과학회지 41권2호
  • : 연속간행물
  • : 2020년 04월
  • : 129-136(8pages)
한국지구과학회지

DOI


목차

서 론
연구 지역
연구 방법
연구 결과
결 론
사 사
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가뭄은 일반적으로 장기간에 걸쳐 물 공급이 부족하여 나타나는 환경 재앙 중 하나로 대부분 넓은 지역에 걸쳐 나타난다. 원격탐사 자료는 이러한 넓은 지역에서 나타나는 가뭄 모니터링에 적합한 방법이다. 따라서 이 연구에서는 강원도 소양호 지역의 Landsat 위성 영상 자료를 활용하여 약 30년(1985-2015) 동안의 소양호 면적을 산출하고 이를 가뭄 패턴과 분석하였다. 특히 ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망을 활용하여 Landsat 영상을 분류하여 소양호 면적을 산출하였다. 또한 가뭄 패턴을 분석하기 위하여 산출된 호수 면적과 소양호 지역의 강수량을 활용한 표준 강수지수(Standardized Precipitation Index: SPI)와의 상관관계를 분석하였다. 영상 분류 연구 결과, ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망 방법 중에서 호수 면적 산출의 최적의 방법은 인공신경망 방법임을 알 수 있었다. 또한, 인공신경망 방법을 적용하여 산출한 호수 면적과 SPI와의 상관관계 분석 결과 R2 값이 0.52를 가진다. 즉, SPI 지수가 낮을 때 호수 면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉 호수 면적 변화를 통하여 소양호 지역의 가뭄 상태 감지 및 모니터링이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이 연구는 향후 지역 가뭄 모니터링 프로그램 개발 등에 사용이 가능할 것이다.
Drought is an environmental disaster typically defined as an unusual deficiency of water supply over an extended period. Satellite remote sensing provides an alternative approach to monitoring drought over large areas. In this study, we monitored drought patterns over about 30 years (1985-2015), using satellite imagery of Lake Soyang, Gangwondo, South Korea. Landsat images were classified using ISODATA, maximum likelihood analysis, and an artificial neural network to derive the lake area. In addition, the relationship between areas of Lake Soyang and the Standardized Precipitation Index (SPI) was analyzed. The results showed that the artificial neural network was a better method for determining the area of the lake. Based on the relationship between the SPI value and changes in area, the R2 value was 0.52. This means that the area of the lake varied depending on SPI value. This study was able to detect and monitor drought conditions in the Lake Soyang area. The results of this study are used in the development of a regional drought monitoring program.

UCI(KEPA)

I410-ECN-0102-2021-400-000907626

간행물정보

  • : 자연과학분야  > 지질
  • : KCI등재
  • :
  • : 격월
  • : 1225-6692
  • : 2287-4518
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1979-2021
  • : 2159


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42권3호(2021년 06월) 수록논문
최근 권호 논문
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1연안 혼탁 해수에 적합한 위성 클로로필-a 농도 산출 알고리즘 개관과 전망

저자 : 박지은 ( Ji-eun Park ) , 박경애 ( Kyung-ae Park ) , 이지현 ( Ji-hyun Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 247-263 (17 pages)

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최근의 기후변화는 연안에서 더욱 가속화되고 있어 연안에서의 해양 환경변화 감시의 중요성이 커지고 있다. 클로로필-a 농도는 해양 환경 변화의 중요한 지표 중 하나로 수십년 동안 여러 해색 위성을 통해 전구 해양 표층의 클로로필-a 농도가 산출되었으며 다양한 연구 분야에 활용되었다. 하지만 연안 해역의 탁한 해수는 외해의 맑은 해수와는 구별되는 구성 성분과 광학적 특성으로 인해 나타나는 심각한 오차 때문에 일반적으로 사용되는 전지구 대양을 위하여 만들어진 클로로필-a 농도 알고리즘은 연안 해역에 대입할 수 없다. 또한 연안 해역은 해역에 따라 성분과 특성이 크게 달라져 통일된 하나의 알고리즘을 제시하기 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 연안의 탁도가 높은 해역에서는 구성 성분과 광학적 변동 특성을 고려한 다양한 알고리즘들이 개발되어 사용되어 왔다. 클로로필-a 농도 산출 알고리즘은 크게 경험적 알고리즘, 반해석적 알고리즘, 기계학습을 활용한 알고리즘 등으로 나눌 수 있다. 해수의 반사 스펙트럼에 기반한 청색-녹색 밴드 비율이 기본적인 형태로 주로 사용된다. 반면 탁한 해수를 위해 개발된 알고리즘은 연안 해역에 존재하는 용존 유기물과 부유물의 영향을 상쇄시키기 위한 방식으로 녹색-적색 밴드 비율, 적색-근적외 밴드 비율, 고유한 광학적 특성 등을 사용한다. 탁한 해수에서의 신뢰성 있는 위성 클로로필-a 농도 산출은 미래의 연안 해역을 관리하고 연안 생태 변화를 감시하는데 필수적이다. 따라서 본 연구는 탁도가 높은 Case 2 해수에서 활용되어온 알고리즘들을 요약하고, 한반도 주변해역의 모니터링과 연구에 대한 문제점을 제시한다. 또한 다분광 및 초분광 센서의 개발로 더욱 정확하고 다양한 해색 환경을 이해할 수 있는 미래의 해색 위성에 대한 발전 전망도 제시한다.


Climate change has been accelerating in coastal waters recently; therefore, the importance of coastal environmental monitoring is also increasing. Chlorophyll-a concentration, an important marine variable, in the surface layer of the global ocean has been retrieved for decades through various ocean color satellites and utilized in various research fields. However, the commonly used chlorophyll-a concentration algorithm is only suitable for application in clear water and cannot be applied to turbid waters because significant errors are caused by differences in their distinct components and optical properties. In addition, designing a standard algorithm for coastal waters is difficult because of differences in various optical characteristics depending on the coastal area. To overcome this problem, various algorithms have been developed and used considering the components and the variations in the optical properties of coastal waters with high turbidity. Chlorophyll-a concentration retrieval algorithms can be categorized into empirical algorithms, semi-analytic algorithms, and machine learning algorithms. These algorithms mainly use the blue-green band ratio based on the reflective spectrum of sea water as the basic form. In constrast, algorithms developed for turbid water utilizes the greenred band ratio, the red-near-infrared band ratio, and the inherent optical properties to compensate for the effect of dissolved organisms and suspended sediments in coastal area. Reliable retrieval of satellite chlorophyll-a concentration from turbid waters is essential for monitoring the coastal environment and understanding changes in the marine ecosystem. Therefore, this study summarizes the pre-existing algorithms that have been utilized for monitoring turbid Case 2 water and presents the problems associated with the mornitoring and study of seas around the Korean Peninsula. We also summarize the prospective for future ocean color satellites, which can yield more accurate and diverse results regarding the ecological environment with the development of multi-spectral and hyperspectral sensors.

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2최근(2018-2020) 태풍의 이동속도와 한반도 주변의 총가강수량 변화

저자 : 김효정 ( Hyo Jeong Kim ) , 김다빈 ( Da Bin Kim ) , 정옥진 ( Ok Jin Jeong ) , 문윤섭 ( Yun Seob Moon )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 264-277 (14 pages)

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본 연구의 목적은 최근 발생한 태풍들의 이동속도와 관련하여 대기 중 총가강수량의 변화를 분석하는 것이다. 이 연구를 위해 미국기상위성연구소 및 기상청 천리안위성 2A호(GEO-KOMPSAT-2A)의 총가강수량 및 주야간 RGB 합성영상 자료뿐만 아니라 기상청의 기온, 강수량 및 풍속 등의 지상 관측 자료가 사용되었다. 기상청에서 제공하는 태풍 위치 및 이동속도를 활용하여, 2020년 태풍 바비, 마이삭, 하이선과 2019년 태풍 타파, 그리고 2018년 태풍 콩레이의 이동속도를 위도별 태풍 평균속도 통계자료와 비교하였다. 그 결과, 타파와 콩레이는 태풍의 위도별 평균속도와 유사하게 나타났으나 바비와 마이삭은 위도 약 25°N-30°N 구간에서 이동속도가 크게 감소하여 나타났다. 이는 대기 중의 수증기 띠가 전선의 형태로 바비와 마이삭 두 태풍의 전방에 위치하여 이들 태풍의 이동에 방해를 주었기 때문이었다. 즉 이동하는 태풍의 전방에 하층제트로 인해 발생한 수증기 띠가 전선을 형성할 경우, 이 전선과 태풍 사이에 위치하는 고기압 역은 더욱 발달하면서 열대야와 함께 블로킹 효과로 작용하여 태풍의 이동속도가 느리게 나타났다. 결과적으로 대기 중의 수증기가 많았던 바비와 마이삭의 경우, 1차로 하층제트를 따라 수증기 띠가 전선을 형성함으로 인한 집중호우가, 2차로 전선과 태풍 사이에 고기압 역의 하강기류로 인한 열대야 현상이, 그리고 3차로 태풍 자체의 육지 상륙에 의한 강풍과 폭우가 연달아 발생하였다.


This study analyzed the relationship between the total precipitable water vapor in the atmosphere and the moving speed of recent typhoons. This study used ground observation data of air temperature, precipitation, and wind speed from the Korea Meteorological Administration (KMA) as well as total rainfall data and Red-Green-Blue (RGB) composite images from the U.S. Meteorological and Satellite Research Institute and the KMA's Cheollian Satellite 2A (GEO-KOMPSAT-2A). Using the typhoon location and moving speed data provided by the KMA, we compared the moving speeds of typhoon Bavi, Maysak, and Haishen from 2020, typhoon Tapah from 2019, and typhoon Kong-rey from 2018 with the average typhoon speed by latitude. Tapah and Kong-rey moved at average speed with changing latitude, while Bavi and Maysak showed a significant decrease in moving speed between approximately 25°N and 30°N. This is because a water vapor band in the atmosphere in front of these two typhoons induced frontogenesis and prevented their movement. In other words, when the water vapor band generated by the low-level jet causes frontogenesis in front of the moving typhoon, the high pressure area located between the site of frontogenesis and the typhoon develops further, inducing as a blocking effect. Together with the tropical night phenomenon, this slows the typhoon. Bavi and Maysak were accompanied by copious atmospheric water vapor; consequently, a water vapor band along the low-level jet induced frontogenesis. Then, the downdraft of the high pressure between the frontogenesis and the typhoon caused the tropical night phenomenon. Finally, strong winds and heavy rains occurred in succession once the typhoon landed.

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32020년 동아시아지역에서 COVID-19 폐쇄로 인한 장거리 이동 PM10, NO2, O3 농도 변동성 분석

저자 : 김유경 ( Yu-kyung Kim ) , 조재희 ( Jae-hee Cho ) , 김학성 ( Hak-sung Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 278-295 (18 pages)

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2020년 중국의 COVID-19 폐쇄는 한국의 풍상측에 위치한 중국의 대기오염 배출량을 감소시켰다. 몽골 북부로부터 중국 동부를 거쳐 한반도에 이르는 지역에서는 2020년 1~2월에 기온 아노말리가 양(+)으로 온난하였고, 2020년 1월에는 동서류 아노말리가 음(-)으로 정체적인 특징을 보였다. 2019년 12월~2020년 3월에 한국 중부 서쪽의 석모리와 파도리에서 중국 배출량 감소의 영향에 따라 PM10, NO2, O3 농도 변동이 나타났다. 파도리에서 PM10, O3 월평균 농도와 최근 4년의 월평균 농도의 비는 2019년 12월과 비교하여 중국의 COVID-19 폐쇄 이후인 2020년 1~3월에 각각 0.7~4.7%, 9.2~22.8%로 감소하였다. 2020년 1월 중국의 춘절 기간에는 석모리와 파도리에서 PM10, NO2, O3 농도가 최근 4년의 춘절 기간과 마찬가지로 감소하였다. 그러나 2020년 1월 평균 농도가 최근 4년 1월과 비교하여 감소한 것은 중국 춘절 전후의 기간에도 배출량이 감소하였던 것과 관련 있다. 2020년 1~3월 석모리의 PM10, NO2, O3 농도의 비(Ōs/M)는 각각 70.8~89.7%, 70.5~87.1%, 72.5~97.1%이었고, 파도리에서도 각각 79.6~93.5%, 67.7~84.9%, 83.7~94.6%로 추정 월평균(M)보다 월평균(Ōs)이 감소하였다. 2020년 1월에 몽골 북부로부터 중국 동부와 한반도에 이르는 지역의 온난화로 인한 광화학 반응으로 최근 4년과 비교하여 AOD가 높게 나타났으나 2020년 3월에는 풍상측인 중국에서 2차 에어로졸을 생성하는 전구물질 배출 감소로 최근 4년과 비교하여 낮은 AOD 분포를 보였던 것으로 분석되었다.


China's shutdown due to COVID-19 in 2020 reduced air pollutant emissions, which is located on the windward side of South Korea. The positive temperature anomaly and negative zonal wind anomaly from northern Mongolia to South Korea through eastern China presented warm and stationary air masses during January and February 2020. Decreased concentrations of PM10, NO2, and O3 were measured at Seokmo-ri and Pado-ri, located in the central-western region of South Korea, due to decreased emissions in China from January to March 2020. After China's shutdown from January to March 2020, in Pado-ri, the ratio of monthly average concentrations in that period with those of PM10 and O3 in the last four years decreased by approximately 0.7-4.7% and 9.2-22.8%, respectively. In January 2020, during the Lunar New Year holidays in China, concentrations of PM10, NO2, and O3 at Seokmo-ri and Pado-ri decreased just as much as it did during the same period in the last four years. However, average concentrations in January 2020 decreased before and after the Lunar New Year holidays in China when compared with those in January of the last four years. In Seokmori, ratios of actual and predicted values (Ō/M) for PM10, NO2, and O3 concentrations were calculated as 70.8 to 89.7%, 70.5 to 87.1%, and 72.5 to 97.1%, respectively, during January and March 2020. Moreover, those of Pado-ri were 79.6 to 93.5%, 67.7 to 84.9%, and 83.7 to 94.6%, respectively. In January 2020, the aerosol optical depth (AOD) data showed a higher distribution than that of the last four years due to photochemical reactions in regions from northern Mongolia to eastern China and the Korean Peninsula. However, the decrease in AOD values compared with those of the last four years was attributed to the decrease in emissions of precursors that generate secondary aerosols in China during March 2020.

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4적도 해류계 분석 및 엘니뇨 시기의 변동에 관한 논의: 중등 교육 현장의 관련 오개념을 중심으로

저자 : 장유순 ( You-soon Chang )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 296-310 (15 pages)

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엘니뇨는 전지구적인 규모로 기후 변화를 유발하는 대표적인 해양-대기 상호작용 현상으로서 지구과학 분야에서 매우 중요한 교수-학습 소재로 사용되고 있다. 본 논고에서는 적도 해류계의 분포 특징 및 발생 역학에 관해 정리하였으며, 엘니뇨 시기의 적도 해류계 변동과 관련 오개념에 관해 조사하였다. 엘니뇨 시기에는 북적도해류, 남적도해류, 적도잠류들이 유의미하게 약화된다. 그러나 북적도반류는 중심축을 중심으로 남쪽 성분은 강화되고 북쪽 성분은 약화되면서 적도 쪽으로 남하하기 때문에 엘니뇨 시기의 북적도반류의 변동에 대해서는 일반화할 수 없다. 또한 서태평양에서는 북적도반류의 남하 폭이 커져 결과적으로 적도 서태평양에서는 동향류가 관측된다. 일부 대중 매체를 통한 과학 기사, 중등학교 평가 문항 뿐만 아니라 현직 교사들을 대상으로 한 설문 조사 결과 분석을 통해 엘니뇨 시기의 적도 해류계의 변동에 관한 개념이 통일되지 않았음을 확인하였다. 이는 기존에 사용되고 있는 엘니뇨 모식도의 부정확한 해석과 적도 해류 및 파동 역학에 관한 이해 부족과 연관된다고 유추할 수 있다.


El Niño is a typical ocean and atmospheric interaction phenomenon that causes climate variability on a global scale, so it has been used as a very important teaching and learning material in the field of earth science. This study summarized the distribution and dynamics of the equatorial current system. The variability of the equatorial current system during the El Niño period and the associated misconceptions were also investigated. The North Equatorial Current, South Equatorial Current, and Equatorial Under Current significantly weaken during El Niño years. However, the variability of the North Equatorial Counter Current (NECC) during the El Niño period cannot be generalized because the NECC shows southward movement with weakening in the northern area and strengthening in the southern area, along its central axis. In the western Pacific, the NECC is further south during El Niño years, and thus, it has an eastward flow in the equatorial western Pacific. Our analysis of a mass media science article, a secondary school exam, and a survey for incumbent teachers confirmed disparate ideas about the equatorial current system's variability during El Niño periods. This is likely due to inaccurate interpretations of the existing El Niño schematic diagram and insufficient understanding of the equatorial current and wave dynamics.

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5화성 지질공원 제부도 지질명소의 지질교육적 가치

저자 : 하수진 ( Sujin Ha ) , 채용운 ( Yong-un Chae ) , 강희철 ( Hee-cheol Kang ) , 김종선 ( Jong-sun Kim ) , 박정웅 ( Jeong-woong Park ) , 신승원 ( Seungwon Shin ) , 임현수 ( Hyoun Soo Lim ) , 조형성 ( Hyeongseong Cho )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 311-324 (14 pages)

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최근 화성시의 국가지질공원 인증 추진을 위해 10개의 지질명소가 개발되었으며, 이 중에서 제부도 지질명소는 다양한 지질·지형(경관)·생태유산이 분포하여 고정리, 우음도 지질명소와 함께 수도권 남부의 새로운 지구과학 교육 장소로 개발 잠재성이 크다. 이번 연구에서는 화성지질공원 제부도 지질명소의 야외조사를 통해 지질유산의 특징을 기재하고, 화성지질공원 내 다른 지질명소와의 비교·분석을 통해 지질교육 명소로서 개발 가능성을 평가하였다. 또한, 지질공원 및 지질명소에서의 현장교육이 현행 2015 개정 과학과 교육과정에서 강조하는 핵심개념과 교과역량 중심 교육에 실질적으로 미칠 수 있는 효과를 제부도 지질명소에 적용해 제시하였다. 제부도 지질명소에는 규암, 편암, 천매암 등 다양한 변성암류가 분포하며, 쇄설성암맥, 석영맥, 단층, 절리, 엽리, 편리 등의 지질구조들도 함께 관찰되어 지질다양성이 풍부하다. 또한, 해안가를 따라서는 역빈과 사빈, 해안사구, 갯벌 등 해안 퇴적지형과 연흔 등의 퇴적구조가 발달하고 있으며, 해식절벽, 해식동굴, 시스택 등의 해안침식지형과 함께 바다갈라짐 등 다양한 해안지형을 관찰할 수 있다. 제부도 지질명소는 기존에 현장교육에 활용되고 있는 화성지질공원의 고정리 공룡알화석산지 및 우음도 지질명소와 지질 및 지형학적으로 차별점을 가지므로 새로운 지질교육 현장으로서 충분한 가치를 지닌 것으로 판단된다. 아울러 제부도 지질명소에는 갯벌체험장과 같은 지질교육 및 지질관광 연계 콘텐츠가 풍부하고, 해안산책로, 전망대와 같은 탐방인프라 또한 잘 조성되어 있어 다채로운 교육프로그램 개발이 기대된다. 더 나아가 각 지질명소별 특성을 중심으로 최적화된 지질공원 교육을 수행함으로써 1) 학교에서 지질공원으로 학습 공간의 확장, 2) 구체적인 내용 요소의 이해도 향상과 핵심개념 사이의 연계, 3) 지구시스템 전반으로 교육 영역의 확대가 이루어질 수 있어 과학과 교육과정의 핵심역량인 사고력, 탐구력, 문제해결력을 향상시킬 수 있고, 지질공원 교육의 주체로 참여하는 경험을 통해 의사소통 능력 및 참여와 평생학습능력 강화에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.


Recently, ten geosites have been considered in Hwaseong for endorsement as national geoparks, including the Jebudo, Gojeongri Dinosaur Egg Fossils, and Ueumdo geosites. The Jebudo geosite in the southern part of the Seoul metropolitan area has great potential for development as a new geoscience educational site because it has geological, geographical (landscape), and ecological significance. In this study, we described the geological characteristics through field surveys in the Jebudo geosite. We evaluated its potential as a geo-education site based on comparative analysis with other geosites in Hwaseong Geopark. In addition, we reviewed the practical effect of field education at geosites on the essential concepts and critical competence-oriented education emphasized in the current 2015 revised science curriculum. The Jebudo Geosite is geologically diverse, with various metamorphic rocks belonging to the Precambrian Seosan Group, such as quartzite, schist, and phyllite. Various geological structures, such as clastic dikes, faults, joints, foliation, and schistosity have also been recorded. Moreover, coastal geological features have been observed, including depositional landforms (gravel and sand beaches, dunes, and mudflats), sedimentary structures (ripples), erosional landforms (sea cliffs, sea caves, and sea stacks), and sea parting. The Jebudo geosite has considerable value as a new geo-education site with geological and geomorphological distinction from the Gojeongri Dinosaur Egg Fossils and Ueumdo geosites. The Jebudo geosite also has opportunities for geo-education and geo-tourism, such as mudflat experiences and infrastructures, such as coastal trails and viewing points. This geosite can help develop diverse geo-education programs that improve key competencies in the science curriculum, such as critical thinking, inquiry, and problem-solving. Furthermore, by conducting optimized geo-education focused on the characteristics of each geosite, the following can be established: (1) the expansion of learning space from school to geopark, (2) the improvement of understanding of specific content elements and linkage between essential concepts, and (3) the extension of the education scope throughout the earth system. There will be positive impacts on communication, participation, and lifelong learning skills through geopark education.

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6천문 유산을 활용한 천문학 교육 프로그램 개발 및 활용 가능성 탐색

저자 : 이지혜 ( Jihye Lee ) , 신동희 ( Donghee Shin )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 325-343 (19 pages)

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이 연구의 목적은 한국 천문 유산인 앙부일구와 고대 천문 기록을 활용한 과학 교육 프로그램을 개발하고, 시범 적용을 통해 활용 가능성을 탐색하는 것이다. 앙부일구와 고대 천문 기록의 TSK 구성적 특성, 과학 교육과정과의 연계성, NOS와의 연계성을 고려하여 앙부일구는 초등학생을 위한 핸즈온 활동으로, 고대 천문 기록은 중·고등학생을 위한 과학 탐구 활동으로 개발했다. 개발된 프로그램을 초등과 고등 집단에게 시범 적용하여 활용 가능성을 확인했다. 앙부일구 활동을 통해 학생들은 절기별 태양 운동에 대한 오개념을 수정하며 개념 지식을 정교화했고, 이후 천구 좌표계 개념과의 연계 가능성을 확인했다. 학생들은 앙부일구의 과학적 가치를 인식했으며, 과학·기술·사회 간 상호작용의 본성을 이해했다. 고대 천문 기록 활동에서 학생들은 귀납 및 연역적 탐구 방법을 경험했고, 다양한 정보와 전략을 활용했다. 활동을 통해 학생들은 TSK에 대한 과학적 이해와 태도를 발전시켰다.


This study aims to develop two science education programs using Angbuilgu and ancient astronomical data, are Korean astronomical heritage, and explore its educational possibility through the pilot application. Considering the TSK compositional characteristics of Angbuilgu and ancient astronomical data, linkage with science curriculum, and linkage with NOS, Angbuilgu was developed as a hands-on activity for elementary school students and ancient astronomical data as a science inquiry activity for middle and high school students. The educational availability of the developed program was confirmed by pilot application to elementary and high school groups. Through the Angbuilgu activity, the students refined their conceptual knowledge by correcting misconceptions about the solar motion by season and then confirmed the possibility of connection with the concept of the celestial coordinate system. Students recognized the scientific value of Angbuilgu and understood the nature of interactions STS. In the ancient astronomical data activity, students experienced inductive and deductive inquiry methods and utilized various information and strategies. Through the activities, students improved their scientific understanding and attitude towards TSK.

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7컴퓨팅 사고를 반영한 교사연수 과정에서 나타난 교사의 인식 탐색

저자 : 황규진 ( Gyu Jin Hwang ) , 박영신 ( Young-shin Park )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 344-364 (21 pages)

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이 연구는 두 명의 초등교사가 컴퓨팅 사고를 어떻게 인식하고 이를 교육과정 재구성에 어떻게 반영하고 수업을 하게 되는지를 장기간의 걸친 교사연수과정을 통해 탐색한 것이다. 컴퓨팅 사고는 과학교육에 연계하는 새로운 교육정책 방향이기에 초등부터 나타나는 교사의 인식을 조사하고자 하였다. 교사와의 9번의 교사회의를 가졌으며 이는 매회 2시간 정도의 시간이 소요되었고, 그 시기에 교수하게 될 한 단원을 각자 인식아래 재구성을 하여 11차시의 수업과정안을 개발하였다. 자료수집은 9개월간에 걸쳐서 인터뷰, 교사회의, 수업과정안에서 수행되었으며, 이 자료는 수업 전후의 교사회의를 통한 논의, 수업과정안 등을 통해 수집되었으며, 컴퓨팅 사고를 인식하면서 나타난 초등교사의 컴퓨팅 사고의 인식은 다음과 같이 나타났다. 첫 번째, 과학교육의 목적인 과학적 소양의 정의가 확장되었음을 볼 수 있다. 즉 문제인식에서부터 창의적인 문제해결자를 양성하는 것이 과학적 소양이라고 인식하였다. 두 번째, 과학적 사고가 강조된 개념형성단계와 컴퓨팅 사고가 강조된 개념활용단계로 수업차시를 구분하였다. 세 번째, 컴퓨팅 사고는 인지적 사고과정이며, ICT는 기능적 도구라고 인식하였다. 네 번째, 컴퓨팅 사고 요소는 중복되어 반복적으로 나타나며, 순차적이지 않을 수 있다는 것이다. 마지막으로 컴퓨팅 사고의 활용을 통해 STEAM 교육을 활성화할 수 있다고 인식하고 있음을 보여주었다. 이 연구를 바탕으로 컴퓨팅 사고의 실천은 STEAM 교육의 활성화를 위한 도구로 사용될 수 있고 이를 위해서는 일회성이 아닌 지속적이고 전문적인 교사연수를 통해 컴퓨팅 사고 전문역량 강화를 할 수 있도록 해야 할 것이다.


The study explored how two elementary school teachers perceived computational thinking, reflected them into curriculum revision, and taught them in the classroom during longitudinal professional developed program (PDP) for nine months. Computational thinking is a new direction in educational policy-making including science education; therefore we planned to investigate participating teachers' perception of computational thinking to provide their fundamental understandings. Nine meetings, lasting about two hours each, were held with the participating teachers and they developed 11 lesson plans for one unit each, as they formed new understandings about computational thinking. Data were collected through PDP program while two teachers started perceiving computational thinking, revising their curriculum, and implementing it into their class for nine months. The results were as follows; first, elementary school teachers' perception of computational thinking was that the definition of scientific literacy as the purpose of science education was extended, i.e., it refers to scientific literacy to prepare students to be creative problem solvers. Second, STEAM (science, technology, engineering, arts, and mathematics) lessons were divided into two stages; concept formation stage where scientific thinking is emphasized, and concept application, where computational thinking is emphasized. Thirdly, computational thinking is a cognitive thinking process, and ICT (informational and communications technology) is a functional tool. Fourth, computational thinking components appear repeatedly and may not be sequential. Finally, STEAM education can be improved by utilizing computational thinking. Based on this study, we imply that STEAM education can be activated by computational thinking when teachers are equipped with competencies of understanding and implementing computational thinking within the systematic PDPs, which is very essential for newly policies.

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8암석 판별 탐구에서 중학교 영재들의 과학적 관찰의 특징 탐색

저자 : 유은정 ( Eun-jeong Yu ) , 장선경 ( Sun Kyung Jang ) , 고선영 ( Sun Young Ko )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 42권 3호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 365-380 (16 pages)

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본 연구의 목적은 암석 판별 탐구에서 중학교 영재학생들의 과학적 관찰과 추론의 특징을 탐색하기 위함이었다. 이를 위하여 영재교육원에 다니는 19명의 중학교 1학년 학생들에게 과학 교과서에서 중요하게 다루는 화성암, 변성암, 퇴적암이 포함된 5가지 암석 샘플을 나누어 주고 각 암석의 형성과정, 종류, 이름 등을 유추해 보도록 하였다. 연구 결과, 학생들이 주로 주목하는 암석의 특징은 색, 조직, 구조로 나타났다. 전형적인 암석의 경우 기억에 의존하여 즉각적으로 암석 판별에 성공하나 관찰에 근거한 유의미한 추론이 이루어지지 못하는 반면, 판별에 어려움을 겪는 암석의 경우 관찰에 근거한 유의미한 추론 과정이 담화를 통해 드러나기도 하였다. 또한 유의미한 관찰 결과로부터 과학적 추론을 타당하게 구성하였으나 암석 판별에 실패한 경우도 나타났다. 본 연구 결과는 중학생들의 암석 판별 탐구 활동에서 학생들의 현 수준을 파악하고, 학교 현장에서 이루어지는 암석 판별 탐구가 학생들에게 과학적 관찰과 추론의 경험을 제공할 수 있도록 방안을 모색하고, 시사점을 제공하고자 한다.


This study aimed to explore the characteristics of scientific observation and reasoning of gifted middle-school students in rock identification. Five rock samples that are considered important as per science textbooks, including igneous, metamorphic, and sedimentary rocks, were provided to 19 first-year middle-school students attending a gifted education center. Students were asked to infer the formation process, type, and name of each rock. The results showed that the characteristics of rocks that students primarily paid attention to included color, texture, and structure. Students immediately succeeded in identifying common rocks based on memory; however, meaningful inferences were not made. In case of rocks that students faced difficulty discriminating, significant reasoning processes were revealed through discourse. In addition, although scientific reasoning was properly constructed based on meaningful observations, there were cases wherein rock identification failed. These results will contribute to determining the current level of understanding of middle-school students in rock identification activities and finding ways to provide students with meaningful scientific observation and inference experiences through rock identification in the school field.

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1고해상도 재분석자료와 관측소 1시간 평균 지상 온도 비교

저자 : 송형규 ( Hyunggyu Song ) , 윤대옥 ( Daeok Youn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 95-110 (16 pages)

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본 연구에서는 고해상도 ERA5 재분석자료 중 우리나라 지상 온도 자료의 신뢰성을 검증할 목적으로 종관기상 관측소(ASOS) 관측자료와 비교를 수행하였다. 새롭게 생산되어 배포 중인 ERA5 재분석자료는 높은 시·공간적 해상도를 가져 여러 분야에 활용성이 매우 높다. 자료의 분석 기간은 ASOS 61개 관측소가 1999년 이후로 결측률이 매우 낮으며 시간평균 자료를 제공한다는 점을 고려하여 1999-2018년 기간으로 설정하였다. ERA5 격자 자료는 격자 내 90-m 수치표고모델(DEM) 분포로부터 내륙, 해안, 산악 지역에 해당하는 지형학적인 특성에 따라 분류하여 ASOS 지점 자료와 비교되었다. 분석 기간 전체에 대한 평균 지상 온도는 ASOS와 ERA5 모두 공간 분포의 패턴과 값은 큰 차이없이 유사하였다. ASOS와 ERA5의 산점도 비교를 통해 전체 기간, 특히 여름, 겨울 기간에 대해 계절 변동성을 가진다는 특성을 확인할 수 있었으며, 이는 달별 두 자료 사이의 매시간 차이 확률밀도함수(PDF)의 시계열을 통해서도 확인되었다. 두 자료 사이의 차이를 통계지수인 NMB, RMSE를 계산하여 정량화시켰을 때, 각 값에서 지역적인 특성을 보였으나 모든 지수에서 큰 차이가 없다고 판단할 수 있었으며, 상관성을 보기 위해 R과 IOA를 통해 구한 값은 모두 0.99에 근접하였다. 특히 일평균 산출에 있어 1-시간-평균 값 24개를 이용한 일평균의 경우가 최고와 최저온도의 평균을 이용하는 일평균에 비해 오차가 작게 나타났고, 두 자료 사이의 상관성도 높게 나타남을 확인하였다. 두 자료의 차이가 나타나는 원인으로 ERA5 격자 내 지형 효과가 가장 클 것으로 판단하여 수치표고모델을 활용하여 각 지역별 PDF를 이용해 첨도 및 왜도를 구하고, 이를 온도 차이 파워 스펙트럼의 1년 주기 변동 크기와 비교하였다. 그 결과, 양의 상관성을 가졌음을 확인하였다. 이는 지형 효과가 두 자료 차이의 원인이라고 설명하는 결과이다.

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2복잡한 도심에서의 유입된 미세먼지 잔류 가능성 예보 연구

저자 : 박성주 ( Sung Ju Park ) , 서유진 ( You Jin Seo ) , 김동욱 ( Dong Wook Kim ) , 최현정 ( Hyun Jeong Choi )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 111-128 (18 pages)

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본 연구에서는 복잡한 도심의 구조로 인한 미세먼지 농도의 강화 가능성에 대하여 데이터 마이닝 기술과 군집분석을 이용해 조사하였다. 데이터 마이닝 분석에서 미세먼지 농도와 서울지역 도시용도 데이터 사이에는 유의한 상관관계를 보이지 않았다. 그러나 전국 공공데이터를 기반으로 한 군집분석에서는 건물의 높이(층수)에서 특히 PM10과 강한 상관관계가 나타났다. 단일 케노피 모델(Single Canopy Model) 및 미기상 도시모델링 프로그램(ENVI-Met.4)을 사용한 모델링 분석을 실시하여 도시지역에서 모사된 대기 대류가 건물 분포 및 높이 유형의 배열에 따라 다양한 난류의 패턴을 구현함을 확인하였다. 도시 건물의 복잡한 구조는 대류활동을 제어하여 정체상태를 유도하고 지표 부근의 미세먼지 강화가능성을 초래 하였다. 따라서 도심 구조와 형태에 따른 열환경의 변화로 인한 정체 효과는 미세먼지 산정에 있어서 반드시 고려되어야 한다. 복잡한 도시지역의 미세먼지 잔류확률에 대한 정보를 제공하기 위해서는 대기정체 현상이 중요한 의미로 해석될 수 있다.

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3Landsat 영상 및 인공 신경망 기법을 활용한 춘천 소양호 면적 및 가뭄 모니터링

저자 : 엄진아 ( Jinah Eom ) , 박성재 ( Sungjae Park ) , 고보균 ( Bokyun Ko ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 129-136 (8 pages)

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가뭄은 일반적으로 장기간에 걸쳐 물 공급이 부족하여 나타나는 환경 재앙 중 하나로 대부분 넓은 지역에 걸쳐 나타난다. 원격탐사 자료는 이러한 넓은 지역에서 나타나는 가뭄 모니터링에 적합한 방법이다. 따라서 이 연구에서는 강원도 소양호 지역의 Landsat 위성 영상 자료를 활용하여 약 30년(1985-2015) 동안의 소양호 면적을 산출하고 이를 가뭄 패턴과 분석하였다. 특히 ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망을 활용하여 Landsat 영상을 분류하여 소양호 면적을 산출하였다. 또한 가뭄 패턴을 분석하기 위하여 산출된 호수 면적과 소양호 지역의 강수량을 활용한 표준 강수지수(Standardized Precipitation Index: SPI)와의 상관관계를 분석하였다. 영상 분류 연구 결과, ISODATA, Maximum likelihood 및 인공신경망 방법 중에서 호수 면적 산출의 최적의 방법은 인공신경망 방법임을 알 수 있었다. 또한, 인공신경망 방법을 적용하여 산출한 호수 면적과 SPI와의 상관관계 분석 결과 R2 값이 0.52를 가진다. 즉, SPI 지수가 낮을 때 호수 면적이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉 호수 면적 변화를 통하여 소양호 지역의 가뭄 상태 감지 및 모니터링이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이 연구는 향후 지역 가뭄 모니터링 프로그램 개발 등에 사용이 가능할 것이다.

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4지질 연구 자료의 관리와 활용을 위한 데이터베이스 구축: 암석, 광물의 분류와 3D 모델을 중심으로

저자 : 고보균 ( Bokyun Ko ) , 이창욱 ( Chang-wook Lee ) , 박성재 ( Sungjae Park ) , 이기영 ( Ki-young Lee )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 137-146 (10 pages)

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국내에는 독자적으로 연구가 수행되어 개인적으로 보관 중인 지질 연구 자료가 다량 존재하는데, 이 자료에 대한 접근성이 떨어지기 때문에 다른 연구자들과의 공유가 용이하지 않다. 이런 자료에 대한 메타데이터를 체계적으로 구축하고 총괄적으로 관리하여 이 자료를 필요로 하는 연구자들이 효과적으로 연구를 수행할 수 있는 기회를 제공하는 것이 이 연구의 목적이다. 국내에서 연구된 약 1000여개의 지질 시료(900여개의 암석과 화석 시료, 100여개의 박편 시료)를 수집하였고, 각 시료의 고화질 사진, 분류, 시료명, 보유기관, 산지, 좌표, 특징 등에 대한 메타데이터를 구축하였다. 암석과 화석 시료 100개에 대해 추가적으로 3D 모델링을 수행하였다. 이 연구를 통해 유실되거나 방치되는 중요한 지질 자료에 대한 연구자들의 접근성이 높아지고 자료의 공유가 가능해진다. 따라서 연구자들은 반복적인 연구 자료 수집 작업으로 인한 시간과 비용의 낭비를 줄일 수 있고, 효율적인 연구를 수행하여 경쟁력을 갖춘 연구 결과를 획득할 수 있다. 또한 이미 확보된 시료에 대한 무분별한 반복 채집으로 인해 중요한, 그리고 피해에 취약한 자료가 훼손되는 것을 방지할 수 있다. 향후 전국의 대학과 연구기관에서 보관중인 다양한 암석과 박편 시료에 대한 메타데이터를 추가로 구축하면 자료의 식별 및 진전된 연구가 가능하고, 더불어 전문적인 광물학 및 암석학의 기초 지식에 대한 비교와 분석을 기대할 수 있다.

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5초등학교 학생의 과학에 대한 인식론적 신념 분석

저자 : 성기석 ( Gi-seok Sung ) , 신명경 ( Myeong-kyeong Shin ) , 김은정 ( Eun-jeong Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 147-154 (8 pages)

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이 연구의 목적은 초등학교 학생들의 과학에 대한 인식론적 신념을 분석하여 그들의 과학의 목적, 과학 지식의 본성, 과학 지식의 근원, 과학에서의 실험의 역할에 대한 신념의 특징을 알아보고자 하는 것이다. 본 연구의 대상은 S시에 위치한 K 초등학교 4-6학년 학생 99명이고, 과학에 대한 인식론적 신념을 검사하기 위한 도구로 Elder(1999)가 그의 연구에서 제시한 과학에 대한 인식론적 신념을 구성하는 요소로 이루어진 검사지를 번안하여 사용하였다. 설문지 응답을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 과학의 목적에 대한 인식론적 신념을 분석한 결과, 6학년이 가장 현대적인 신념을 보유하고 있었다. 둘째, 과학 지식의 본성에 대한 신념의 경우, 4학년이 5, 6학년과 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 셋째, 과학 지식의 근원과 과학에서의 실험의 역할에 대한 신념을 통계적으로 유의미한 차이를 나타내지 않았다.

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6환경교육 활성화를 위한 과학과 교육과정과 환경과 교육과정 비교

저자 : 윤진아 ( Jin-a Yoon ) , 남윤경 ( Younkyeong Nam )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 155-175 (21 pages)

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본 연구는 우리나라 과학교육에서 통합교육의 주제로 다루어지는 환경문제와 관련하여 환경교육의 현황과 교육과정을 비교 분석하여 상호연계성과 시사점을 제공하고자 하였다. 이를 위해 2015 개정 환경과 교육과정과 2015 개정 과학과 교육과정을 분석대상으로 선정하고, 각 교과의 교육과정과 그 변천에 대한 문헌연구와 내용분석(Content Analysis)을 수행하였다. 교육과정 분석은 선행연구를 토대로 핵심역량과 교육목표를 비교하고, 과학과 및 환경과의 공통 소양 요소인 지식, 태도, 탐구, 그리고 참여와 실천의 4가지 범주를 도출하여 분석틀을 구안하고 이를 토대로 내용체계를 재구성하였다. 연구결과 핵심역량과 목표에서 환경교과는 총론기반의 지속가능한 사회참여를, 과학교과는 과학탐구능력과 과학적 소양이 강조되는 차이가 있었다. 또한 내용체계에서는 환경교과가 학습자의 관점을 중시한다면 과학교과는 과학탐구자로의 자세를 강조하였으며, 내용지식의 체계를 중요시하는 과학교과에 비해, 환경교과는 학년간 경계가 거의 없이 과학개념이 적용되는 것으로 나타나 국가 교육과정에서 교과간 내용 지식 연계성에 대한 충분한 정보를 제공할 필요성이 제기되었다. 또한 환경교과가 참여와 실천에 목적을 둔다면 과학교과는 지속가능한 과학기술개발과 개선, 과학적 흥미와 의사결정능력을 기르는데 초점을 두고 있어 체계적인 지속가능발전 교육을 위해 과학과 및 환경과 교육과정이 상호보완 될 필요가 있으며 과학과 교육과정에서 탐구활동의 주제를 더욱 다양하고 통합적인 주제로 다룰 필요가 있음을 제안하였다. 이를 통해 탐구 중심의 통합 교과서에서 보다 과학적 문제해결과 평생학습과 참여 역량을 강조하는 교과서로 바꿀 수 있는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 지속가능발전 교육을 위해 과학과 및 환경과 교육과정의 상호보완에 대한 시사점과 함께 과학교육이 환경교육의 버거운 역할을 분담할 수 있기를 기대한다.

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7미래학교의 스마트 기기를 활용한 과학 수업이 과학긍정경험과 과학 학습자 정체성에 미치는 영향 탐색

저자 : 유은정 ( Eun-jeong Yu ) , 김경화 ( Kyung Hwa Kim )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 176-193 (18 pages)

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본 연구의 목적은 미래학교 연구학교인 C 중학교의 스마트 기기를 활용한 과학 수업이 과학긍정경험과 과학 학습자 정체성에 미치는 영향을 살펴보기 위함이다. 이를 위하여 미래학교 1학년 학생들을 대상으로 입학 당시와 1학년을 마무리하는 시점에 과학긍정경험(Shin et al., 2017)을 탐색하기 위하여 대응표본 t 검증을 실시하였다. 또한 1학년과 2학년 학생들에게 과학 수업에서의 나의 이미지를 그림으로 그리고 간단히 그림에 대해 서술하도록 하여 수정·보완된 분석틀(Luehmann, 2009)에 의거하여 스마트 기기를 활용한 미래학교의 과학 수업에서 학습자 정체성을 살펴보았다. 연구 결과 스마트 기기를 활용한 과학 수업을 통해 과학관련 진로포부, 과학관련 자아개념, 과학학습 정서에서 유의미한 효과가 나타났다. 스마트 기기를 활용한 과학 수업은 주체성과 능동성의 수준을 향상시키고, 즉각적이고 충분한 피드백을 통해 궁금한 것을 해결하고, 과학의 본성에 대한 의미 있는 인식을 경험하는데 도움을 주는 것으로 나타났다. 반면, 스마트 기기를 사용하는데 미숙한 학생들은 수업 시간에 적지 않은 부담감을 느끼는 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 향후 이루어질 스마트 기기를 활용한 다양한 수업 맥락을 구상하는데 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

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8관찰 가능한 달의 위상에 대한 초등 예비교사의 설명 유형과 특징 분석

저자 : 신윤주 ( Yoonjoo Shin ) , 안유민 ( Yumin Ahn )

발행기관 : 한국지구과학회 간행물 : 한국지구과학회지 41권 2호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 194-207 (14 pages)

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이 연구의 목적은 실제 관찰의 맥락을 강조한 달의 위상 변화 문제를 해결하는 과정에서 드러나는 초등 예비교사의 설명 유형과 그 특징을 파악하여 초등 교사 양성 프로그램에서 고려해야 할 부분에 대한 시사점을 제공하는데 있다. 이를 위해 초등 예비교사 30명이 관찰 가능한 달의 위상을 설명한 내용을 분석하였으며, 주요한 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 달의 위상 변화에 대해 현상의 관찰과 이에 대한 과학적 추론에 바탕을 두기 보다는 달의 위상별 출몰시간표를 도입하여 설명하는 경우가 많았다. 둘째, 태양이 뜨면 달이 보이지 않거나 또는 달이 떠 있다면 무조건 달을 관찰할 수 있다고 생각하는 유형의 대안 개념이 확인되었다. 셋째, 달을 관찰할 수 있는 시각과 방위에 대해서는 태양의 위치와 무관하게 관찰할 수 있다거나 남중할 때 관찰할 수 있다고 설명하는 경우도 있었다. 또한 달을 관찰하는 날짜는 음력으로 상정하여 접근하는 방식도 볼 수 있었다. 이상의 결과로부터 교육학적인 시사점을 논의하였다.

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