본 연구는 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램을 개발하고 이를 적용하여 유아의 과학적 탐구능력과 과학적 태도 및 수학능력에 미치는 효과를 검증하고자 하였다. 연구목적을 수행하기 위해 아래와 같이 연구문제를 설정하였다.

[연구문제 1] 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 구성은 어떠한가?
1-1. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 목적 및 목표는 어떠한가?
1-2. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 내용은 어떠한가?
1-3. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 교수학습 방법은 어떠한가?
1-4. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 평가는 어떠한가?
[연구문제 2] 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 효과는 어떠한가?
2-1. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 과학적 탐구 능력에 미치는 영향은 어떠한가?
2-2. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 과학적 태도에 미치는 영향은 어떠한가?
2-3. 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 수학능력에 미치는 영향은 어떠한가?

[연구문제 1]에서는 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램을 개발하기 위해 관련 연구에 대한 문헌 고찰 및 선행연구 분석을 하였다. 이를 토대로 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 목적과 목표를 설정하고 교수내용과 교수학습방법을 선정하였다. 이를 기초로 유아교육전문가 및 현장교사에 의한 검증을 거쳐 프로그램의 목적 및 목표, 교수내용, 교수학습방법, 프로그램 평가방법을 구안하였다. 이 후 내용 및 현장 적합성에 대한 검토 및 수정, 보완을 거친 후 최종 프로그램을 개발하였다.
[연구문제 2]에서는 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 과학적 탐구능력과 과학적 태도 및 수학능력에 미치는 효과를 검증하였다. 연구대상은 서울시 D구에 위치한 M유치원의 만 4세와 만 5세 유아를 실험집단으로 S유치원의 만 4세와 만 5세 유아를 비교집단으로 선정하였다. 연구도구는 유아의 과학적 탐구능력을 측정하기 위해 Martin(1997)의 탐구능력 평가 척도를 이경민(2000)이 번안하여 제시한 것을 사용하였다. 유아의 과학적 태도를 측정하기 위해서 Martin(1997)의 평가척도를 수정하여 사용한 유경숙(1999)의 검사 도구를 바탕으로 이경민(2000)이 수정, 보완하여 사용한 검사 도구를 사용하였다. 수학적 능력을 측정하기 위해 황해익, 최해진(2007)의 유아 그림수학능력 검사 도구를 사용하여 사전, 사후 검사를 실시하였다.
프로그램 적용기간은 2017년 7월 24일부터 2017년 10월 31일까지 총 13주 동안 이루어졌으며, 실험집단은 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램을 실시하였고, 비교집단은 유치원 생활주제에 따른 단순 관찰 및 실험 중심 과학 활동을 실시하였다. 수집된 자료는 SPSS 23.0 프로그램을 활용하여 프로그램의 효과검증을 위해 독립표본 t검증을 실시하였다.
본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램의 교육목적은 수학적 표상을 활용한 유아과학교육을 통해 과학적 탐구능력의 신장과 과학적 태도의 함양 및 수학적 능력을 배양한다. 목표는 ‘과학에 대한 긍정적인 태도를 기른다.’ , ‘주변상황과 사회에 관심을 갖고 과학적 탐구능력을 기른다.’ , ‘수학적 표상을 활용한 과학 활동을 통해 수학능력을 기른다.’ , ‘수학적 표상을 활용하여 과학에 대한 흥미를 고양한다. ’, ‘일상생활의 문제를 해결하는데 필요한 과학적 소양을 기른다’ 이다.
본 프로그램의 교육내용은 과학적 탐구능력, 과학지식, 과학적 태도, 수학능력, 수학적 표상으로 구성하였다. 본 프로그램의 교수학습방법은 교수학습 단계, 교수전략, 교사의 역할, 교수학습 자료로 구성하였다. 교수학습단계는 과학적 관심 갖기, 과학적 탐구하기, 수학적 표상하기, 통합한 개념 확장하기이다. 교수전략은 수학적 표상을 활용한 과학 탐구 촉진하기, 수학적 표상을 활용한 과학 탐구 경험 공유하기, 과학 탐구 경험의 수학적 표상 격려하기이며, 교사의 역할은 활동의 제공자, 격려자, 참여자, 촉진자, 관찰자, 평가자이다. 교수학습 자료는 실물자료, 측정도구, 사진, 영상, 그림 자료, 표상도구, 관찰도구이다. 최종 개발된 프로그램의 평가는 유아평가와 교사 평가로 나눠진다. 유아평가는 과학 활동 포트폴리오, 회상하기, 사진, 관찰 분석과 과학적 탐구능력, 과학적 태도, 수학능력 평정척도를 활용하고, 교사평가는 활동일지와 교사 저널 및 면담을 실시한다.
둘째, 개발된 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램 효과를 검증한 결과 과학적 탐구능력의 총점과 하위요소(예측하기, 관찰하기, 분류하기, 측정하기, 의사소통하기) 별 점수는 실험집단이 비교집단에 비해 사후검사에서 높게 나타났으며 이는 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 따라서 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 과학적 탐구능력 향상에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있다. 또한 과학적 태도의 총점과 하위요소(호기심, 자진성과 적극성, 솔직성, 객관성, 개방성, 비판성, 판단유보, 협동성, 끈기성) 별 점수는 실험집단이 비교집단에 비해 사후검사에서 높게 나타났으며 이는 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 따라서 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 과학적 태도 향상에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있다. 또한 수학능력 총점과 하위요소(대수, 수와연산, 기하, 측정) 별 점수는 실험집단이 비교집단에 비해 사후검사에서 높게 나타났으며 이는 통계적으로 유의한 차이를 보였다. 따라서 수학적 표상을 활용한 유아과학교육 프로그램이 유아의 수학능력 향상에 긍정적인 효과가 있음을 알 수 있다.