연구보고서
보고서명
수학•과학 성취도 추이변화 국제 비교 연구: TIMSS 2023 결과 분석(RRE 2024-1)
보고서명(영문)The Trends in International Mathematics and Science Study (TIMSS): Findings from TIMSS 2023 for Korea
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국문초록
- ‘수학·과학 성취도 추이변화 국제 비교 연구(TIMSS)’는 초등학교 4학년과 중학교 2학년을 대상으로 수학 및 과학 성취도를 평가하고 이와 관련한 교육맥락변인들을 조사하여 참여국에게 교육정책 수립 및 학교교육 개선을 위한 객관적 정보를 제공하고 있다. TIMSS는 1995년부터 4년 주기로 시행되고 있으며 TIMSS 2023에는 초4 평가에 59개국, 중2 평가에 44개국이 참여하였다. 본 연구는 TIMSS 2023 평가틀 및 결과 분석을 통하여 국제 수준에서 우리나라 학생들의 수학·과학 성취도와 이에 영향을 미치는 교육맥락변인들을 파악하고 교육과정 및 정책 개선을 위한 실증적 자료를 제공하는 데 그 목적이 있다. 본 연구에서 수행한 TIMSS 2023 평가틀과 우리나라 교육과정의 연계성 분석 결과와 TIMSS 2023 결과에 나타난 수학·과학 성취도 및 주요 교육맥락변인의 특징을 요약하면 다음과 같다.
◈ TIMSS 2023 평가틀 분석
TIMSS 2023은 모든 참여국에서 컴퓨터 기반 검사로 시행한 첫 주기로, 마우스를 통하여 물체를 이동하거나 회전시키고 그림이나 위치를 지정하는 등 상호작용형 문항을 확대하고 일상생활과 관련된 맥락형 문항을 통해 학생들의 동기를 유발하고 융합 및 역량형 평가를 강조하는 경향을 보였다. 또한 최근 사회 및 교육환경의 변화를 반영하여 환경 보전, 감염 관련 문항과 디지털 기기 관련 교육맥락변인들을 새롭게 추가하여 최신 평가 동향을 제공하였다. 평가 내용 측면에서 수학 평가틀과 우리나라 수학과 교육과정과의 연계성을 분석한 결과, 초4의 ‘수’ 영역과 중2의 ‘자료와 확률’ 영역을 제외하고 대체로 우리나라 교육과정과 연계성이 높았다. 초4의 ‘수’ 영역에는 5학년 이후 도입되거나 아예 다루지 않는 내용이 다수 포함되어 있었으며 중2의 ‘자료와 확률’ 영역에는 점그래프나 군집 및 누적 막대그래프, 인포그래픽 등 우리나라 교육과정에서 도입하지 않는 자료 표현이 다수 포함되어 있었다. 수학과 달리 과학 평가틀과 우리나라 과학과 교육과정의 연계성은 상대적으로 낮았으며 이는 TIMSS 2019의 연계성보다 더 낮은 결과를 보였다. 초4 과학의 경우, 열전도, 생물의 특성, 화석 연료 등 우리나라는 5학년에 도입되는 내용이 물상과학, 생명과학, 지구과학에 골고루 분포되어 있었으며 특히 물상과학의 ‘지레 및 빗면’은 우리나라 교육과정에서 다루지 않는 내용이었다. 중2 과학 역시 ‘지레 및 빗면’ 관련 내용이 포함되었는데 이는 우리나라 중학교 교육과정에서도 다루지 않는 내용이었다.
◈ TIMSS 2023 수학 성취도
우리나라 초4 학생의 수학 성취도 평균은 594점으로 참여국 중 세 번째로 높은 점수였으며 TIMSS 2019와 비교하여 유의한 차이는 없었다. 반면, 중2 수학 성취도 평균은 596점으로 참여국 중 세 번째로 높은 점수를 기록하였으나 TIMSS 2019 대비 11점 하락하였으며 이는 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 성별에 따른 수학 성취도를 분석한 결과, 우리나라는 초4 남학생의 성취도(603점)가 여학생의 성취도(586점)보다 17점 높았고 이 차이는 통계적으로 유의하였으며, TIMSS 2019 대비 여학생의 성취도가 크게 하락하면서 성별에 따른 성취도 차이가 심화된 것으로 나타났다. 중2의 경우, 남학생의 성취도(599점)가 여학생의 성취도(593점)보다 6점 높았으나 통계적으로 유의한 차이는 아니었다. 우리나라는 TIMSS 2023 포함 최근 3주기 동안 초4 여학생의 성취가 지속적으로 하락하는 경향을 보이고 있어 이에 대한 각별한 관심이 필요함을 시사하였다. 내용영역별 수학 성취도를 살펴보면, 초4는 세 내용영역 중 ‘수’ 영역의 성취도가 가장 낮았으며 이전 주기인 TIMSS 2019와 비교하여 하락하였다. 중2의 ‘수’ 영역 및 ‘기하와 측정’ 영역의 성취도는 상대적으로 높은 반면 ‘자료와 확률’ 영역의 성취도가 낮았다. ‘대수’, ‘기하와 측정’, ‘자료와 확률’ 영역은 이전 주기 대비 성취도가 큰 폭으로 하락하였다. 인지영역별 성취도는 초4와 중2 모두 알기 영역의 성취도가 상대적으로 높았고, 중2는 추론하기 영역의 성취도가 상대적으로 낮게 나타났다.
◈ TIMSS 2023 과학 성취도
우리나라 초4 학생의 과학 성취도 평균은 583점으로 참여국 중 두 번째로 높은 점수였으며 TIMSS 2019의 평균과 비교하여 유의한 차이는 없었다. 반면, 중2 과학 성취도 평균은 545점으로 참여국 중 네 번째로 높은 점수를 기록하였으나 TIMSS 2019 대비 15점 하락하였으며 이는 통계적으로 유의하였다. 성별에 따른 과학 성취도를 분석한 결과, 우리나라는 초4 남학생의 성취도(591점)가 여학생의 성취도(576점)보다 15점 높았고 이 차이는 통계적으로 유의하였으며, 이는 참여국 중 가장 큰 남학생 우위 격차로 나타났다. 반면 중2의 경우, 남학생의 성취도(548점)가 여학생의 성취도(543점)보다 5점 높았으나 통계적으로 유의한 차이는 아니었다. 우리나라는 TIMSS 2023 포함 최근 3주기 동안 초4 과학 성취도의 성별 격차가 심화되는 경향과 기초수준 미달 학생 비율의 증가 추세를 보여 향후 이와 관련한 심층 연구와 지원 방안을 모색할 필요가 있음을 시사하였다. 내용영역별 과학 성취도를 살펴보면, 초4의 경우 물상과학의 성취도가 상대적으로 높았고, 생명과학과 지구과학은 낮았으며 영역 간 성취도 차이가 통계적으로 유의한 결과를 보였다. 이러한 경향은 중2 성취도에서 더욱 두드러지게 나타났는데 특히 화학의 성취도 평균이 전체 평균보다 23점 낮았고 이는 통계적으로 유의한 차이일 뿐 아니라 주요국과 비교하여 큰 차이를 보였다. 인지영역별 성취도는 초4의 경우 영역별 성취도가 유사하게 나타났으나, 중2의 경우 알기 영역의 성취도가 상대적으로 낮았고 추론하기 영역의 성취도가 높게 나타났다.
◈ 학생 특성 및 가정 환경과 수학·과학 성취도와의 관계
학교에 대한 경험 및 태도를 살펴보면, 우리나라 초4 학생들의 학교에 대한 소속감은 국제 평균과 비슷하고 중2 학생들의 학교에 대한 소속감은 참여국 중 가장 높았으며, 학교 내 괴롭힘 경험이 거의 없는 학생의 비율은 초4와 중2 모두 국제 평균보다 높아 다른 참여국에 비해 우리나라 학생들의 학교에 대한 경험이 긍정적이라고 볼 수 있었다. 전체적으로 학생들의 학교에 대한 소속감이 높을수록, 학교 내 괴롭힘이 적을수록, 수학, 과학 성취도가 높았다. 수학, 과학에 대한 태도는 우리나라가 TIMSS 1995 이후 지속적으로 낮은 수준을 보여왔는데 TIMSS 2023에서 초4의 자신감과 중2의 흥미, 자신감, 가치인식 점수는 다소 상승하였으나 ‘매우 좋아함’, ‘매우 자신 있음’에 해당하는 학생 비율은 여전히 국제 평균보다 낮았고, ‘좋아하지 않음’, ‘자신 없음’ 비율은 국제 평균보다 높아 학생들의 정의적 태도에 관심을 가지고 향상 방안을 모색할 필요가 있음을 시사하였다. TIMSS 2023은 환경 및 건강을 강조한 특징을 보였는데 이를 반영하여 환경에 대한 태도를 조사한 결과, 우리나라 학생들은 환경에 대한 지식은 높은 반면 환경보전에 대한 가치인식은 매우 낮은 수준을 보였다. 디지털 자아효능감도 TIMSS 2023에 새롭게 도입된 변인으로 초4는 국제 평균보다 낮았지만 중2는 국제 평균보다 높았으며 디지털 자아효능감이 높을수록 수학, 과학 성취도가 높은 경향을 보였다.
◈ 교사 특성 및 학교 환경과 수학·과학 성취도와의 관계
교사의 교육 배경과 학생들의 성취도를 살펴보면, 수학·과학을 전공한 교사에게 배우는 학생들의 수학, 과학 성취도는 수학·과학 이외의 교과를 전공한 교사에게 배우는 학생들의 성취도보다 더 높았다. 교사가 수업 내용을 명확하게 설명하고 이해하기 쉽게 돕는 것에 대한 학생의 인식을 나타내는 수업 명료성 분석 결과, 우리나라 초4, 중2 수학 교사와 초4 과학 교사의 수업 명료성은 국제 평균과 같거나 높았으나 중2 과학 교사의 수업 명료성은 국제 평균보다 1%p 낮았다. 수학, 과학 모두 교사의 수업 명료성과 성취도와 정적 관계를 보였으며 특히 교사의 수업 명료성에 따른 성취도 차이는 초등보다 중학교에서 더 큰 차이를 보였다. 학교의 학습 환경과 관련하여 초등 입학 시 문해력 및 수리력을 갖춘 학생 비율이 높은 학교일수록, 학교에서 학업을 중시하는 풍토가 강할수록, 학교 학생들의 문제 행동이 적을수록, 학교가 질서 있고 안전할수록 학생의 수학, 과학 성취도가 높은 경향을 보였다.
◈ 향후 심층 연구 방향 및 정책 제언
본 연구는 상술한 TIMSS 2023 평가틀과 우리나라 교육과정과의 연계성 분석 및 TIMSS 2023 결과 분석을 토대로 향후 심층 연구 방향으로서 수학 및 과학의 내용 영역별 분석 방향과 성별 격차 및 교과에 대한 정의적 특성의 성취수준별 분석 방향을 제시하였다. 또한 수학 및 과학 교육의 데이터 기반 정책 수립을 지원하고자 ‘디지털 세계의 자기주도적 창의 학습자 양성’을 목표로 수학교육, 과학교육, 학생평가 영역으로 구분한 후 정책 과제와 추진 전략을 제시하였다. 첫째, 수학교육의 정책 추진 방향으로 ‘수학교육의 기본과 혁신의 균형성 제고’, 둘째, 과학교육의 정책 추진 방향으로 ‘과학교육의 연계성·실제성·시의성 제고’, 셋째, 학생평가 관련 정책 추진 방향으로 ‘디지털 기술을 활용한 학생평가 혁신’을 제안하였다.