최근 지구과학 교육에서는 천체의 운동과 구조의 효과적 학습을 위한 과학적 실행(scientific practice)으로서 천문학적 사고가 강조되고 있다. 천문학적 사고를 길러주기 위해서는 학교 수업과 연계하여 실제 천체 관측 경험을 제공할 필요가 있는데, 과학관은 천체 관측 장비와 시설을 갖추고 있어 중·고등학생들에게 이러한 천체 관측 경험을 제공해 줄 수 있는 대표적인 비형식 과학교육 기관 중 하나이다. 그러므로 과학관에서 제공되는 천문교육 프로그램의 내용과 구성방향에 대해 중등 교육과정과 연계하여 탐색할 필요가 있다.
이 연구의 목적은 중등교육과정과의 연계를 위한 과학관 천문교육 프로그램을 천문학적 사고에 초점을 맞춰 개발하고 이를 중·고등학생들을 대상으로 적용하여 그 효과를 검증하는 것이다. 이를 위해 우선 천문 과학관 및 천문학적 사고에 대한 문헌 연구를 수행하였으며, 국내 천문 과학관의 천문교육 프로그램의 구성 및 내용을 중심으로 실태를 조사하였다. 이 문헌 연구를 토대로 천문학적 사고 수준을 파악하기 위한 검사 도구를 구성하였으며, 이 검사지를 초·중·고 학생들에게 투입하여 천문학적 사고 수준 자료를 수집하였다. 수집된 자료는 기술 통계, 추리 통계 그리고 Rasch 모델 등을 활용하여 정량적으로 분석하였다. 이 조사 연구의 결과를 토대로 중등교육과정 연계를 위한 과학관 천문교육 프로그램을 개발하였으며, 이를 과학관 현장 체험 학습에 참여한 중학생, 일반 고등학생, 그리고 과학 고등학생들에게 적용하여 프로그램의 교육적 효과성을 검증하였다. 연구 결과는 다음과 같다.
첫째, 천문학적 사고 검사를 실시하여 천문 개념과 천문 현상에 대한 학생들의 이해 수준을 조사한 결과, 중?고등학교 학생들의 천문학적 사고 수준은 전반적으로 낮은 것으로 나타났다. 천문학적 공간사고와 관련하여 공간위치, 공간방향 등은 파악할 수 있는 능력이 있었지만 2차원적인 평면운동을 3차원에서의 입체적 운동으로 변환하지 못하는 것으로 나타났으며, 학년 간에는 통계적으로 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났다. 천문학적 시스템 사고에서 천체의 운동 시스템을 구성하는 요소들 사이의 연관 관계는 파악할 수 있으나 시스템의 경향성은 파악할 수 없는 것으로 나타났다. 또한, 고등학생들까지도 하위 시스템을 포함한 통합된 관점에서 천체의 운동 시스템을 구성할 수 없었다. 하지만, 학년 간 차이는 통계적으로 유의미한 것으로 나타났는데, 특히 초등학생과 고등학생의 차이가 초등학생과 중학생에 비해 높은 것으로 드러났다.
둘째, 과학관을 이용한 체험학습에서 활용할 수 있는 천문교육 프로그램을 천문학적 사고를 반영하여 개발하였다. 천문영역의 공간적 사고와 시스템 사고의 구성요소를 선정하고 그에 따른 콘텐츠와 활동 목표를 정하고 순환학습 모형과 Hodson(1993)의 사고력 학습 발달 모형을 응용하여 과학관 천문교육 프로그램을 개발하였다. 이 연구에서 개발된 프로그램은 비형식 교육기관의 천문교육 프로그램과 학교교육의 천문학적 사고와 관련된 학생들의 학습발달 과정에 대한 교수자의 이해를 넓힘으로써, 학생들이 겪는 어려움과 필요에 적절하게 대응할 수 있는 방안을 마련하는데 있어 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
셋째, 개발된 과학관 천문교육 프로그램을 중학생, 일반 고등학생, 그리고 과학 고등학생을 대상으로 적용하여 그 효과성을 검증하였다. 중학생들을 대상으로 한 연구 결과에서는 실험군과 대조군 간 천문학적 사고 수준의 변화가 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 동일한 프로그램을 일반 고등학생들을 대상으로 적용한 결과에서는 실험군과 대조군 간 천문학적 사고 수준 변화의 차이가 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다. 과학 고등학생들에게 적용한 결과도 역시 사전과 사후 간 천문학적 사고 수준의 변화가 통계적으로 매우 유의미한 것으로 나타났다.
이 연구에서 개발 된 중등교육과정 연계를 위한 과학관 천문 교육 프로그램은 참여한 학생들의 천문학적 사고를 향상시키는데 효과가 있었는데, 중학생보다는 고등학교 학생들의 천문영역의 공간적 사고가 향상됨을 확인하였다. 천문학적 공간사고와 관련하여 지구에서 관측된 천문 현상을 관점을 전환하여 우주에서 보는 관점으로 재구성하여 모델링할 수 있는 능력을 신장시키는데 효과가 있었다. 또한, 시스템 사고와 관련하여 천문 시스템의 구성요소들 간의 관계를 파악하여 시스템을 조직할 수 있는 능력을 향상시키는데 효과가 있는 것으로 나타났다.
이 연구의 결과는 천문학적 사고의 증진을 목표로 실시되는 비형식 과학교육기관의 천문교육 프로그램의 구체적 사례를 제시하며, 천문학적 사고를 길러주기 위한 중등학교 정규 교육과정에 있는 천문 교육 단원을 지역 과학관과 연계하여 지도하는 데 있어 경험적 토대를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

In recent earth science education, astronomical thinking is being emphasized as a scientific practice for effective learning of celestial motion and structure. In order to foster astronomical thinking, it is necessary to provide actual astronomical observation experiences in conjunction with school classes. Science museum is one of the leading informal science education institutions with astronomical observation equipment and facilities that can provide astronomical observation experiences for secondary school students. Therefore, it is necessary to explore the contents and direction of the astronomical education program provided by the science museum in connection with the secondary curriculum.
The purpose of this study is to develop a science museum astronomical education program for the linkage with secondary school curriculum, focusing on astronomical thinking, and to verify its effectiveness by applying it to middle and high school students.
For the purpose, a literature study on the astronomical science museum and astronomical thinking was carried out. Based on the literature study, a testing tool was constructed to determine the level of astronomical thinking of the participating students. Collected data were analyzed quantitatively using descriptive statistics, inferential statistics and Rasch model. Based on the results of the research, we developed a science museum astronomical education program for linking secondary curriculum, and applied it to middle school students, general high school students, and science high school students who participated in field experience learning in science museum to verify the educational effectiveness of the program. The results are as follows:
First, the astronomical thinking test was conducted to investigate students'' understanding of astronomical concepts and astronomical phenomena. Astronomical thinking level of secondary school students were generally low. In astronomical spatial thinking, students were able to identify spatial position, spatial direction, but they could not convert two-dimensional plane motion into three-dimensional motion. There was no statistically significant difference between grades. In astronomical system thinking, students were able to identify the relationship between the constituent elements of the celestial motion system, but they could not identify the tendency or pattern of the system. In addition, even high school students could not construct the celestial motion system from an integrated perspective including the subsystems. The difference between grades was statistically significant, especially the difference between elementary and high school students was higher than that of elementary and middle school students.
Second, an astronomical education program was developed that can be used in field experiential learning of science museum. The program was developed by selecting the components of spatial thinking and system thinking in the astronomical domain, determining the content and activity goals accordingly, and applying learning cycle model and Hodson''s(1993) thinking power development model. It is expected that the program can broadening the instructor''s understanding of students’ learning progression related to astronomical education programs in informal education institutions and astronomical thinking in school education, accordingly the program can contribute to establish countermeasures that respond appropriately to the challenges and needs of students.
Third, the effectiveness of the developed astronomical education program of science museum was verified by applying it to middle school students, general high school students, and science high school students. In middle school students, there was no statistically significant difference in astronomical accidents between the experimental and control group. Applying the same program to high school students, the difference in the change of astronomical thinking level between the experimental and control groups was statistically significant. The results applied to science high school students showed that the change in the level of astronomical thinking between before and after was also statistically significant.
The science museum astronomical education program for the linkage with secondary school curriculum developed in this study was effective in improving astronomical thinking of participating students, especially spatial thinking in the astronomy area of high school students rather than middle school students. In relation to astronomical spatial thinking, it was effective in enhancing the ability of reconstructing and modeling through converting the observed astronomical phenomena from Earth to the space-based perspective. In addition, in relation to system thinking, it has been shown to be effective in improving the ability to organize the system by identifying the relationship between the components of the astronomical system.
The results of this study can propose the specific examples of astronomical education programs of informal science educational institutions aimed at promoting astronomical thinking, and expected to provide an empirical basis for teaching astronomical units in the secondary school formal curriculum to cultivate astronomical thinking in connection with local science museum.