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고등학생의 오개념 처치를 위한‘물리실험’ 교재 내 실험 개선 방안

지도교수 : 유준희 교수님

물리교육과 2011-12794김태윤

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차례Ⅰ. 서론

Ⅱ. 문헌조사1. 역학 가. 원운동 개념 나. 등속 원운동 실험 다. 학생이 갖는 오개념2. 정전기학 가. 도체 내 전하분포 개념 나. 정전기 유도 실험 다. 학생이 갖는 오개념3. 파동과 빛 가. 렌즈에 의한 상 개념 나. 렌즈에 의한 상 실험 다. 학생이 갖는 오개념

Ⅲ. 연구 방법1. 연구 대상 및 절차2. 설문의 구조

Ⅳ. 연구 결과1. 역학 – 등속 원운동 실험 가. 예비교사 9명의 설문조사 결과 나. 개선방안 제언2. 정전기학 – 정전기 유도 실험 가. 예비교사 9명의 설문조사 결과 나. 개선방안 제언3. 파동과 빛 – 렌즈에 의한 상 실험 가. 예비교사 9명의 설문조사 결과 나. 개선방안 제언

Ⅴ. 결론

Ⅵ. 참고문헌

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표 차례

< 표 1 > 설문지 1-1 응답 …………………………………………………………………………… 12

< 표 2 > 설문지 1-2 응답 …………………………………………………………………………… 12

< 표 3 > 설문지 1-3 응답 …………………………………………………………………………… 13

< 표 4 > 설문지 1-4 응답 …………………………………………………………………………… 13

< 표 5 > 설문지 2-1 응답 …………………………………………………………………………… 14

< 표 6 > 설문지 2-2 응답 …………………………………………………………………………… 15

< 표 7 > 설문지 2-3 응답 …………………………………………………………………………… 15

< 표 8 > 설문지 2-4 응답 …………………………………………………………………………… 16

< 표 9 > 설문지 3-1 응답 ………………………………………………………………………… 17

< 표 10 > 설문지 3-2 응답 ………………………………………………………………………… 18

< 표 11 > 설문지 3-3 응답 ………………………………………………………………………… 18

< 표 12 > 설문지 3-4 응답 ………………………………………………………………………… 19

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Ⅰ. 서론

물리 이론은 실제 상황에서 물리학은 물체에 작동하는 추상적인 물리량에 대해 탐구하는 학문이기 때문에 직관적인 이해가 필요하다. 힘의 작용과 에너지의 전달 등 물리적 현상은 가시적으로 표현하기 힘든 개념이기 때문에 학생들이 이해하는데 어려움을 겪는다. 그리고 학생들이 배우는 물리 이론은 이상적인 환경 내에 작용되는 것이기 때문에 구성주의적으로 학생들에게 습득했던 경험적 지식이 물리 현상을 물리학적으로 이해하는데 어려움을 겪게 만든다. 물리학적 지식과 다르게 학생들이 경험적으로 얻은 지식은 오개념이 될 수 있는데, 오개념이 형성되는 경우 과학적 지식의 습득을 방해하여 교수-학습에 어려움을 준다.(권재술, 김범기, 1993) 오개념과 교과 지식이 혼합되어 물리학을 이해하거나, 물리학적 지식이 직관적으로 이해가 되지 않기 때문에 습득을 거부하는 경우도 있다. 물리를 학습하는 것은 연역적 사고의 연속이므로 기초가 되는 개념에서 오개념이 생긴다면 이후에 학습하는 물리개념 역시 온전하게 습득하지 못하게 될 가능성이 높다. 따라서 교사는 물리 개념 내에서 학생들이 가지는 오개념이 무엇인지 파악하고 빠르게 개념변화를 시켜줄 필요성이 있다. 올바른 오개념 처치가 일어난다면, 학생이 물리를 학습하는데 있는 어려움을 해소시켜 줄 수 있고, 심화된 물리 개념을 올바르게 이해시킬 수 있다. 실험 수업은 학생 참여형 수업으로써 학생들이 경험적으로 지식을 구성해나가는데 도움을 주는 수업방식이다. 2009 개정 교육과정 고등학교 물리실험 교재 내에선 학생들이 실험실습을 할 수 있도록 매뉴얼을 제공한다. 실험에서는 학생들이 물리Ⅰ과 물리Ⅱ에서 학습하는 물리 개념에 대한 내용이 수록되어 있고 교재 내 물리학 공식과 이론을 입증해 보이도록 설계되어 있다. 실험 메뉴얼에 따라 학생들이 실험할 때, 학생들은 실험 결과와 이론을 비교하여 경험적으로 물리 이론을 학습할 수 있다. 그러나 물리 이론에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들에게는 실험 내에서 올바른 개념변화가 일어나지 않을 때, 실험 과정과 결과가 자신의 오개념을 강화하거나 물리학적 개념에 대한 이해를 더욱 어렵게 만들 수 있다. 학생들이 매뉴얼에 맞추어 올바른 실험 설계를 하고, 공식에 적합한 결과를 도출하더라도 오개념과 혼재되어 있는 상태라면 실험을 통해 유의미한 학습과 성장이 촉진되었다고 여기기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 교재 내 실험을 선정하고, 실험을 통해 학생들의 오개념 처치가 이루어질 수 있는지 예비교사의 의견을 분석하고자 한다. 그리고 분석 결과를 통해 실험에서 개념변화가 부족하다는 것을 파악된다면 유의미한 학습과 성장을 할 수 있도록 개선 방안을 연구하고자 한다. 원운동과 도체, 그리고 렌즈에 관련된 실험을 2009 개정교육과정 내 물리실험 교재에서 선택하였고, 실험에 대해 학생들이 가질 수 있는 오개념을 선행연구를 분석하여 취합하고자 한다. 그리고 예비교사들을 대상으로 설문조사를 하고, 설문조사의 자료를 분석하여 실험 내에서 학생들의 오개념을 수정할 수 있는 개선방안을 제시하고자 한다.

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Ⅱ. 문헌 조사 1. 역학 가. 원운동 개념

구심력은 물리Ⅱ 교과서의 1. 운동과 에너지 – 1. 힘과 운동 – 3. 평면운동에서 학생들이 학

습한다. 운동 원운동의 운동방정식은 ( 질량 회전반경 접선방향속도 )이

다. 물체가 원운동을 하기 위해서는 중심방향의 힘이 필요하고, 그 힘의 크기에 따라 반경과 접선방향 속도가 정해지고, 그에 따라 원운동의 주기를 구할 수 있다.

나. 등속 원운동 실험

<그림 1>1) 등속원운동 실험

등속 원운동 실험은 원 운동에서 물체에 전달되는 힘이 중심력인 것을 확인하는 실험이다. 실 양쪽에 고무와 추를 달고, 고무가 달린 쪽을 반경과 접선 방향 속도를 조절하여 돌린다. 이때, 다른 쪽에 달린 추가 받는 중력과 동일한 장력을 줄 수 있는 고무의 운동을 찾는다. 이후 고

무의 반경과 원운동의 주기를 계산하여 원운동의 운동방정식 추 고무 을 확인한다.

1) 변태진 외(2013), 고등학교 물리실험, 서울특별시교육청 p.106

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① 선택 (%) ② 선택 (%) ③ 선택 (%) ④ 선택 (%) ⑤ 선택 (%)고 2 10 39 27 20 4과학고 42 36 14 6 2

다. 학생들이 갖는 오개념다음은 선행연구에서 학생들에게 한 질문과 그에 대한 결과이다.

무중력 상태의 우주공간에 우주선이 있다. 원형 궤도를 따라 일정한 속력으로 운동할 수 있도록 추진력의 방향을 조정하려고 한다. 우주선에 작용시켜야 하는 힘을 화살표로 가장 잘 나타낸 것은 어느 것인가? (보기 중에 답이 없다면 ⑤에 직접 그리시오)?

[문제 – 1] 「학생의 물리 오개념 지도」 내 역학 1-9 문제 및 정답 분포2)

[문제 – 1]에 대한 정답은 1번이고, 고등학교 2학년 학생을 대상으로 한 설문조사에서 정답률이 10%가 나왔다. 고등학교 2학년 학생을 대상으로 한 설문조사에서 최빈 오개념은 2번이고 39%의 학생이 응답하였다. 학생들이 전반적으로 원운동에 대한 오개념을 갖고 있음을 볼 수 있다. 많은 학생들은 원운동을 하기 위해서 접선방향의 힘이 필요하다고 답했다. 이를 통해 임페투스적 오개념을 갖고 있다는 것을 유추할 수 있다.

2. 전자기학

가. 도체 내 전하분포 개념

도체 내에 전하의 움직임은 고등학교 물리 Ⅰ 교과서의 2. 물질과 전자기장 – 1. 전자기장 -2. 정전기 유도에서 학습하게 된다. 교재 내에서는 검전기가 벌어지는 현상을 통해 정전기 유도를 설명한다. 이때, 도체는 원자에 속박되지 않은 자유 전자들을 갖고 있는 특징을 설명하고 대전체를 도체에 가까이 가져갔을 때, 자유 전자의 이동에 의해 정전기 유도가 발생되는 것을 설명한다. 그러나 도체 내에 전하가 어떻게 분포되어 있는가에 대한 설명은 나타나있지 않다.

2) 송진웅 외(2004), 학생의 물리 오개념 地圖, 북스힐. p.62-63

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나. 정전기 유도 실험

<그림 2>3) 정전기 유도 실험

정전기 유도 실험은 정전기 유도를 학습하는 동시에 도체 구 표면에 자유전자의 분포를 확인하는 실험이다. 실험은 두 가지로 구성되어있다. 첫 번째 실험은 도체 구 하나에 전압을 걸어주어 전하의 분포를 확인한다. 도체 구 하나에 2000V의 전압을 걸어주고, 시험판을 도체 구에 가져다 댄 후, 페러데이의 얼음판에 가져다 대어 얼마의 전하가 전달되었는지를 확인한다. 이때 시험판으로 도체 구의 여러 부분을 확인하여 전하분포가 일정함을 확인한다. 두 번째 실험은 2000V의 전압을 연결한 도체 구에 접지된 도체 구를 가까이 가져갈 때 전압 원과 연결된 도체 구 표면의 자유전하 분포를 확인하는 실험이다. 전압원과 연결된 도체 구의 자유전하는 접지된 구에 의해 정전기 유도가 발생되어, 접지된 도체 구에 가까이 있는 곳일수록 자유전하가 많이 분포하는 것으로 측정된다.

다. 학생들이 갖는 오개념

다음은 선행연구에서 학생들에게 한 질문과 그에 대한 결과이다.

전기적으로 중성인 플라스틱 구슬이 있다. 약간의 음전하가 이 구슬 위에 P점에 첨가되었다. 몇 초 후 어떻게 될까?① 음전하가 P 주위에 남는다.② 음전하는 구슬의 바깥 표면에 고르게 분포한다.③ 음전하는 구슬의 안팎에 고르게 분포한다.④ 대부분의 음전하는 여전히 점 P에 있지만, 일부는 구슬에 전체적으로 퍼질 것이다.⑤ 첨가된 음전하는 사라진다.

3) 위와 동일 p.146

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① 선택 (%) ② 선택 (%) ③ 선택 (%) ④ 선택 (%) ⑤ 선택 (%)고 2 10 37 26 22 6과학고 1 63 27 4 5

[문제 – 2] 「학생의 물리 오개념 지도」 내 전자기학 1-1 문제 및 정답 분포4)

고등학교 2학년을 대상으로 [문제 – 2]의 정답률은 37%가 나왔다. 최빈 오개념은 3번이고 26%의 학생이 대답하였다. 과학고 학생들을 대상으로 한 설문조사에서도 27%의 학생이 3번으로 답한 것도 주목할 만하다. 실제 도체에서는 표면에서만 자유전자가 분포한다. 그러나 많은 학생들은 도체 내부에서도 자유전자가 분포한다고 생각하는 오개념을 갖고 있다.

3. 파동과 빛

가. 렌즈에 의한 상 개념

물체의 상은 물리 Ⅱ 교과서에서 3. 파동과 빛 – 2. 빛의 이용 – 1. 거울과 렌즈 단원에서 소개된다. 물체에 반사된 빛에 대하여 거울, 렌즈를 반사, 투과하는 경로를 작도하는 것을 학습하고, 상이 어디에 맺히는지 학습한다. 이때, 렌즈를 투과한 빛이 한 점에 모이면 물체는 렌즈에 대해 실상을 갖는다. 투과한 빛이 모이지 않을 때, 렌즈 반대편에 빛의 경로의 연장선을 그린 뒤 연장선들이 모이는 위치를 찾는다. 이때 물체는 렌즈에 대해 허상을 갖는다고 말한다. 실상은 실제로 빛이 모이는 곳이기 때문에 종이를 가져다 대면 물체의 모습이 비춰보이고, 허상은 실제 빛이 모이는 곳이 아니기 때문에 종이를 가져다 대도 물체의 모습을 확인할 수 없다.

4) 위와 동일 p.142-143

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나. 렌즈에 의한 상 실험

<그림 3>5) 렌즈에 의한 상

렌즈에 의한 상 실험은 정보를 알지 못한 렌즈의 초점거리를 구하는 실험이다. 광원이 될 수 있는 물체를 준비하고 볼록렌즈와의 거리를 적당히 조절하여 볼록렌즈 반대편에 설치된 스크린에 상이 맺히도록 설치한다. 광원과 렌즈 사이의 거리를 측정하고, 렌즈와 스크린 사이의

거리를 측정하여

의 식에 대입한다. (p : 광원과 렌즈 사이의 거리, i : 렌즈와 스

크린 사이의 거리) 이때 구한 f가 렌즈의 초점 거리이다.

다. 학생들이 갖는 오개념

다음은 선행연구에서 학생들에게 한 질문과 그에 대한 결과이다. 촛불과 스크린 사이 적당한 지점에 볼록렌즈를 설치하면, 스크린에 촛불의 상이 맺힌다. 이 때 스크린을 치웠을 때 상을 볼 수 있는 곳은?

① 스크린 보다 앞 쪽② 스크린이 있던 자리③ 스크린이 있던 자리의 뒤쪽④ 볼 수 있는 자리는 없다.

5) 위와 동일 p.242

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① 선택 (%) ② 선택 (%) ③ 선택 (%) ④ 선택 (%)고 2 9 15 25 51과학고 21 19 21 36

[문제 – 3] 「학생의 물리 오개념 지도」 내 파동과 빛 1-9 문제 및 정답 분포6)

[문제 – 3]에 대한 고등학교 2학년 학생들의 정답률은 15%였다. 과학고 학생들을 대상으로 한 설문조사에서도 정답률이 19%가 나왔다. 각각 최빈 오답으로 4번을 선택했고 그 비율은 51%와 36%였다. 설문조사를 참여한 학생들의 절반가량이 렌즈를 통과한 빛이 모이는 점에 상이 맺히는 것을 확인했음에도 불구하고 스크린을 치웠을 때, 상을 볼 수 있는 곳이 없다고 답하였다. 이를 볼 때 학생들의 오개념으로 물체에서 반사된 빛이 볼록렌즈를 통과할 때, 물체의 실상이 형성되지 않는다고 생각하는 것을 유추할 수 있고, 스크린이 물체의 상을 맺게 하는 특별한 역할을 한다고 생각하는 것을 볼 수 있다.

Ⅲ. 연구 방법

1. 연구 대상 및 절차

연구 대상은 2009 개정 교육과정 내 고등학교 물리실험 교과서 내에 실험이다. 교재 내 역학과 전자기, 파동 단원에서 실험들을 각 1개씩 선정하고 설문조사를 통해 실험 과정 중 학생들이 이전에 갖고 있는 오개념에 대해 인지하고, 수정할 수 있도록 설계 되었는지에 대한 예비교사의 의견을 취합하고자 한다. 물리학적 개념에 대해 학생들이 가지는 오개념은 송진웅(2004)의 「학생의 물리 오개념 지도」를 참고하고자 한다. 「학생의 물리 오개념 지도」 내에 역학, 전자기학, 파동 단원에서 과반수의 학생들이 오개념으로 답한 항목들을 취합하고, 그 항목들이 교과서 내 어느 실험에 적용되어 분석할 수 있는지 분류한다. 「학생의 물리 오개념 지도」에 수록된 오개념 자료와 교과서 내 실험을 선정하여, 예비교사 9명에게 [부록 – 1]에 있는 설문조사를 하여 실험에 대한 의견을 참조한다. 설문조사에 참여한 예비교사는 물리교육과 졸업자/졸업예정자이고, 설문조사지에서 다룬 물리 실험을 최근 한 달 이내에 수행한 경험이 있다. [부록 – 1]의 설문조사를 통하여 교과서 내 실험들이 학생들이 갖고 있는 오개념에 대해 얼마나 인지적 불균형을 일으키는지에 대해 예비교사의 의견을

6) 위와 동일 p.294-295

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분석하고, 실험을 통해 학생들이 새로 가질 수 있는 오개념에 대한 의견을 분석 하고자 한다. 그리고 올바른 개념변화를 위해 실험을 어떻게 개선해야 할지에 대한 예비교사의 의견도 분석하여 실험 개발에 대한 제안을 하고자 한다.

2. 설문의 구조 역학, 전자기학, 파동 단원에서 분석한 학생들의 오개념과 그에 연관된 실험을 연결지어 설문조사를 제작했다. 하나의 실험마다 네 개의 동일한 질문을 만들었고, 그 중 첫 번째 질문은 실험이 오개념을 가지고 있는 학생들에게 인지적 불균형을 일으켜 줄 수 있느냐에 대한 질문이었다. 이는 Driver의 구성주의 학습모형 내 개념변화 학습모형에 근거한 질문으로써, Driver(1986)는 학생의 개념변화가 일어나기 위한 조건으로 자신이 갖고 있는 개념틀로 현상을 설명하려 할 때, 불편함을 느껴야 한다고 주장한다. Posner(1982)도 학생 자신이 갖고 있는 개념으로 환경을 해석할 때, 인지적 불균형이 일어나야 유의미한 개념변화가 일어날 것이라 주장한다. 따라서 학생들의 개념변화를 위해 실험이 학생들이 가지고 있는 오개념으로 해석하고자 할 때, 인지적 불균형을 일으켜줄 수 있는지에 대해 교사들의 의견을 취합하기 위해 위와 같은 질문을 제작했다. 두 번째 질문은 실험이 학생의 개념변화를 도울 수 있는지에 대해 예비교사의 생각을 알아보기 위해 제작했고, 그 이유에 대해서도 함께 물어보았다. 학생들이 오개념에 대해 스스로 인지하게 되더라도 이것이 인과적으로 항상 개념변화에 이르는 것이 아니다. 기존에 가지고 있는 오개념 외에 새로운 오개념이 형성될 수도 있고, 혹은 학생들이 자신의 오개념이 현상을 설명하지 못하는 것을 인지하지만 쉽게 바꾸지 않는 경우도 있기 때문이다. 이러한 부분에 있어서 예비교사들은 어떻게 생각하는지에 대해 질문하여 해당 실험이 개념변화 모형에 적합한 실험인지에 대한 판단을 하고자 한다. 세 번째 질문은 학생들이 실험을 통해 얻게 될 수 있는 오개념에 대해 예비교사의 생각을 알아보기 위해 제작했다. 기존의 오개념과 더불어 실험을 통해 새롭게 얻을 수 있는 오개념을 파악하여 실험 개선방안에 참고하고자 한다. 네 번째는 2, 3번에서 나타난 의견에 대응하여 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선하기 위한 방안을 알아보기 위해 질문을 제작하였다. 이를 통해 얻은 질문들을 수렴하여 실험 개선 방안에 대한 구체적인 방법을 하고자 한다.

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인원 (명)학생이 고무 마개를 돌리기 위해 힘을 주는 것이 접선방향으로 고무마개에 힘을 주는 것이라고 생각할 수 있기 때문

5

실험 결과 값을 통해 이론을 입증하는 것만 관심을 갖기 때문에 개념변화에 신경을 쓰지 않기 때문

1

실제 작용하는 힘의 방향을 눈으로 확인할 수 있기 때문 (질문 1-1에서 예라고 답한 경우)

1

미응답 2

인원 (명)그렇다 1아니다 8

Ⅳ. 연구 결과

1. 역학 – 등속 원운동 실험

가. 예비교사 9명의 설문조사 결과

(1) 질문 1-1 분석‘원운동에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들이 ‘등속 원운동’ 실험을 통해 자신이 갖고 있는 오개념을 인지할 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 1 > 설문지 1-1 응답

9명의 예비교사 중 8명이 ‘등속 원운동’ 실험을 통해 학생들이 오개념을 인지할 수 없다고 답했고, 한 명의 예비교사가 오개념을 인지할 수 있다고 답했다.

(2) 질문 1-2 분석‘등속 원운동 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 생각하십니까? 왜 그렇다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 2 > 설문지 1-2 응답

등속 원운동 실험에서 고무마개의 원운동 상태를 만들기 위해 사람의 힘을 통해 실을 돌리는 과정이 있다. 이때 자연스럽게 회전방향으로 손목을 돌려가며 원운동을 시키기 때문에, 학생들이 갖는 물체는 항상 운동하는 방향으로 힘을 받는다는 오개념을 강화시킬 수 있다는 의견이 많았다.

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인원 (명)원운동이 중력에 의한 것이 아니라 손이 돌리는 힘에 의해 형성되는 것으로 생각할 수 있다.

3

운동 방향으로 힘을 줘야 등속원운동을 한다. 3토크가 원운동을 시킨다. 1물체를 돌릴 때 원통 플라스틱과 실의 마찰력에 의해 개념적용에 어려움을 줄 수 있다.(질문 1-1에서 예라고 답한 경우)

1

인원 (명)에어트랙이나 매끄러운 표면 위에서 원운동하게 하여 저항을 최소한으로 줄이고 하도록 하고, 손을 대지 않고 관찰하게 한다.

6

실험을 하기 전, 원운동을 하게 하는 힘이 구심력이라는 개념을 설명한다.

1

미응답, 모르겠다. 2

(3) 질문 1-3 분석‘등속 원운동 실험에서 학생들이 가질 수 있는 오개념이 있다고 생각하십니까? 만약 있다고 생각하신다면 어떤 오개념을 학생들이 가질 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 3 > 설문지 1-3 응답

3명의 예비교사가 운동 방향으로 힘을 주어야 원운동을 한다는 오개념을 더 강화시킨다고 답했다. 실험을 통해 기존에 분석되지 않은 새로운 오개념이 나올 수 있는 것으로, 원운동을 시키는 힘이 중심력으로 작용하는 중력이 아니라 사람이 주는 외력이라는 의견도 있었다.

(4) 질문 1-4 분석‘오개념을 가진 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선한다면 어떤 방식으로 수정하시겠습니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 4 > 설문지 1-4 응답

에어트랙이나 매끄러운 표면 위에서 운동시켜 사람이 주는 힘을 최소화 시키는 방법을 가장 많이 제시하였다. 예비교사들은 손으로 직접 고무마개를 돌리는 실험방법을 오개념 형성의 요인으로 생각했기 때문에 사람의 힘을 최대한 배제시키는 방법의 실험을 고안했다고 여겨진다.

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인원 (명)그렇다 2부분적으로 그렇다 2아니다 5

나. 개선방안 제언

학생들은 원운동이 유지되기 위해서 접선방향의 힘을 주어야 된다는 오개념을 갖고 있다. 이에 대한 오개념을 수정하기 위해서는 중심력만 작용하는 실험 상황을 구현해야 한다. 그러나 교재내에 등속 원운동 실험에서는 초기에 고무마개의 원운동을 형성하기 위해 손목을 돌려가며 물체에 힘을 주는 과정이 있고, 공기저항력을 보정하기 위해 지속적으로 사람돕기 위해서는 이 힘을 주어 돌려주는 과정이 있다. 따라서 예비교사들은 학생들이 등속 원운동 실험을 통해 중력이 구심력 작용을 하는 것이 아니라 사람이 손목을 사용하여 원방향으로 돌려주는 힘이 원운동을 유지시켜주는 힘으로 착각할 수 있을 것이라 답했다.

따라서 실험을 활용하여 학생들의 개념변화를 돕기 위해서는 원운동을 할 때 사람이 개입하는 힘을 최소한으로 줄이고 중력만 작용하도록 장치를 만들 필요가 있다. 실험의 개선방안으로는 중앙에 구멍이 뚤린 에어트랙 혹은 매끄러운 탁상 위에 실로 연결된 고무마개를 올려놓고, 구멍을 통해 실로 연결된 추를 내려 놓는다. 이때 구멍과 실 사이의 마찰은 최소화하기 위해 윤활제등을 바르는 방법도 있다. 매끄러운 판 위에서 일정 시간동안 힘을 주어 원운동을 만들고 손을 놓는다. 이때 고무마개는 저항을 최소화하여 받기 때문에 원운동을 비교적 긴 시간동안 관찰할 수 있고, 학생들은 그 동안 원운동에 작용한 힘이 중력이라는 것을 인지할 수 있게 될 것으로 예측된다. 원운동 중 추를 더하거나 빼는 실험 과정을 집어 넣어서 원운동 방정식을 확인하게 하여 이론에 대한 학습을 도울 수도 있을 것이다.

2. 정전기학 – 정전기 유도 실험

가. 예비교사 9명의 설문조사 결과 (1) 질문 2-1 분석‘도체의 자유전자 분포에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들이 ‘정전기 유도’ 실험을 통해 자신이 갖고 있는 오개념을 인지할 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 5 > 설문지 2-1 응답

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인원 (명)아니다. 실험을 통해 도체 내 전하량을 측정할 수 없기 때문에 개념변화가 불가능하다.

5

도체 표면의 전하를 샘플링하여 페러데이 얼음통으로 실험하는 과정을 통해, 1, 4, 5번의 오개념을 수정하는데 도움을 줄 수 있다.

2

아니다. (이유는 미응답) 1그렇다. (이유는 미응답) 1

인원 (명)도체 안팎에 전하가 분포한다. 3전위와 전하밀도가 동일한 개념이다. 1구 껍질이 내부전하와 다른 부호로 대전된다. 1방전이 잘 되는 환경에서 하면 이론과 같이 전위측정이 잘 되지 않기 때문에 전기음성도에 이해에 오개념이 생길 수 있다.

1

미응답 3

[오개념 문제 – 2] 에서는 학생의 도체내 전하의 분포에 대해 여러 가지 오개념을 확인할 수 있다. 대체로 그렇다고 답한 경우는 1, 4, 5의 경우에 개념변화가 일어날 수 있을 것으로 답했고, 음전하가 도체 안팎에 고르게 분포한다는 오개념은 변화시키기 어렵다고 답하였다.

(2) 질문 2-2 분석‘정전기 유도 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 생각하십니까?왜 그렇다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 6 > 설문지 2-2 응답

[오개념 문제 – 2]에서 학생들의 최빈 오개념은 도체 내에 음전하가 안팎으로 고르게 분포한다는 것이다. 이에 대하여 실험과정 내에서 도체 내부의 전하를 측정할 수 있는 방안이 없기 때문에 학생들의 개념변화를 일으킬 수 없다고 답한 예비교사가 5명이다. 2명의 교사는 전자기 유도 실험을 통해 학생들이 직접 전하를 샘플링하여 측정하는 과정을 통해, 도체 안팎의 전하분포에 대한 개념은 인지하지 못하지만 도체에서 전하가 고르게 분포될 것이라는 개념변화는 이루어질 것으로 답했다.

(3) 질문 2-3 분석‘정전기 유도 실험에서 학생들이 가질 수 있는 오개념이 있다고 생각하십니까? 만약 있다고 생각하신다면 어떤 오개념을 학생들이 가질 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 7 > 설문지 2-3 응답

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인원 (명)실험으로는 불가능하고 개념 도입과 사고실험을 통해 학생들의 오개념을 변화시킨다.

2

도체 내부의 전하가 다르게 분포되어 있다는 것을 확인하는 실험을 추가한다.

1

페러데이 얼음통처럼 도체 구를 새장형태로 만들어 가시적으로 보여준다.

1

방전이 되지 않도록 실험실 환경을 건조하게 한다. 1잘 모르겠다, 미응답 4

실험 과정 내에서 도체 내부의 전하를 측정할 수 없기 때문에 도체 안팎에 전하가 분포한다는 오개념이 형성될 것으로 답한 예비교사가 3명이었다. 한 명의 응답자는 정전기 유도된 도체에서 샘플링한 전하량이 페러데이 얼음통에서 측정할 시 전위가 샘플링한 부분에 따라 다르게 나오기 때문에, 학생들이 정전기 유도 된 도체구 표면의 전위가 각기 다를 것이라는 오개념을 가질 수 있다고 답하였다. 실제로 도체 표면은 등전위 면을 가지며, 전하밀도가 다르게 분포된다고 하여 부분적으로 다른 전위가 측정되지 않는다.

(4) 질문 2-4 분석‘오개념을 가진 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선한다면 어떤 방식으로 수정하시겠습니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 8 > 설문지 2-4 응답

실험 수정에 대한 설문조사 결과 잘 모르겠다고 답한 사람과 미응답의 비율이 가장 많았다. 이는 도체 내부의 전하를 측정하는 방법을 고안하기 힘들기 때문이라 생각된다. 도체 내부의 전하량을 샘플링하기 위해서는 내부에 시험판을 넣을 수 있는 공간을 만들어야 하는데, 외부와 내부가 절연되어 있지 않다면 구멍을 뚫은 내부의 표면에도 자유전하가 분포하게 되어 시험판을 가져다 댈 때, 전하를 샘플링할 수 있게 된다. 내부 전하량을 측정할 수 있는 구멍을 뚫어 구 표면과 절연시키는 경우에도 학생들은 절연되어있기 때문에 내부에 전하가 없다는 오개념을 가질 수 있기 때문에 예비교사들은 실험 고안에 어려움을 겪었다. 따라서 2명의 교사는 실험을 통해 도체 내부에 전하가 분포하지 않는다는 것을 확인시키기 어렵기 때문에, 교사가 개념을 설명해주는 것이 필요하다고 답하였다. 설문조사의 결과 중, 도체 내부에 전하분포가 다르게 형성된다는 것을 측정하는 실험을 제공한다는 답을 볼 때, 예비교사에게도 도체 표면의 전하분포에 대한 오개념이 있다는 것을 발견했다. 실제 도체 내부에는 전하가 없으며, 따라서 전하분포가 다르게 형성되는 것을 측정하는 실험 자체가 불가능하기 때문이다.

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인원 (명)그렇다 3아니다 5잘 모르겠다 1

나. 개선방안 제언

학생들은 도체구 표면에 자유전자 분포에 대해 여러 가지 오개념을 갖고 있다. 도체구 한 점에 일정 전하를 놓았을 때 이론적으로는 도체구 표면에 즉각 고르게 퍼지게 되지만, 학생들은전하를 놓은 점 부근에 전하 분포 밀도가 높아진다는 오개념을 갖고 있다. 이에 대해 예비교사들은 전자기 유도실험에서 도체구 표면에 전하를 샘플링하는 과정을 통해 오개념을 인지하고 개념수정 할 수 있을 것으로 답했다. 실제로 도체 구의 한 부분을 통해 도체 구를 대전시킨 후 일정시간이 지난 뒤 도체 구 각 부분에서 전하를 샘플링하여 페러데이의 얼음통을 통해 측정시 동일한 전위 값이 나온다. 따라서 학생들의 오개념에 인지적 불균형을 일으킬 수 있고 개념변화를 도울 수 있는 유익한 실험이라 여겨진다. 위와 다른 오개념으로써 [오개념 문제 – 3]을 응답한 26%의 학생들은 전하가 도체 구 안팎에 고르게 분포한다고 답했다. 예비교사들은 이와 같은 오개념이 전자기 유도 실험을 통해 수정되기가 어렵다고 답했다. 도체 구 내부의 전하를 샘플링하는 실험 설계가 매우 어렵기 때문이다. 따라서 도체 구 내부의 전하를 샘플링하는 방법을 고안하기보다 속이 꽉 차있는 도체구와 속이 빈 도체구를 준비하여 학생들에게 전하를 샘플링하는 방법을 통해 개념변화를 도울 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 학생들에게 속이 빈 도체구와 속이 꽉 찬 도체구를 직접 들어 보게하여 속이 빈 도체구가 가볍다는 것을 느끼게 하고, 이후 두 도체를 동시에 접지시킨다. 자유전하가 안팎에 골고루 분포된다는 오개념을 가진 학생들은 두 도체구의 표면의 전하를 샘플링할 때, 속이 빈 도체구의 표면에서 샘플링한 전하가 더 많다는 것을 예측할 수 있을 것이다. 그러나 실제로 샘플링한 전하량은 동일하기 때문에 오개념을 가진 학생에게 인지적 갈등을 줄 수 있다. 그때에 교사가 물리학적 개념을 설명해준다면 학생의 개념변화가 올바르게 이루어질 것으로 예측된다.

3. 파동과 빛 – 렌즈에 의한 상 실험 가. 예비교사 9명의 설문조사 결과

(1) 질문 3-1 분석‘물체의 상에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들이 ‘렌즈에 의한 상’ 실험을 통해 자신이 갖고 있는 오개념을 인지할 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 9 > 설문지 3-1 응답

[오개념 문제 – 3]를 통해 확인한 학생들이 가지는 오개념은 스크린에 맺힌 실상이 스크린을 치우면 위치가 바뀌거나 보이지 않게 된다는 것이다. 실험을 통해 학생이 자신의 오개념을 인지할 수 있다고 답한 예비교사는 3명, 인지할 수 없다고 답한 예비교사는 5명이다.

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인원 (명)그렇다. 실제 실험에서 상이 공기 중에 맺히는 것을 확인할 수 있기 때문에

1

아니다. 빛의 진행방향을 가시적으로 보기 힘들기 때문에 1아니다. 스크린을 치울 경우 빛이 모이는 곳에 상이 맺히는 것을 확인하는 작업이 힘들기 때문에

2

그렇다. (이유는 무응답) 2잘 모르겠다. 3

인원 (명)볼록렌즈를 통과할 때 생기는 도립상이 상하만 반전이다. 1모든 빛이 한 점으로 모인다. 1종이에 맺히는 상과 눈으로 보이는 상이 다르다. 1초점거리가 적절하지 않은 렌즈로 물체를 확인할 때, 특정 상태의 상만 생겨 오개념이 생길 수 있다.

1

잘 모르겠다, 무응답 5

(2) 질문 3-2 분석‘렌즈에 의한 상 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 10 > 설문지 3-2 응답

질문 3-1에서 오개념 인식이 가능하다고 답한 예비교사 중 두 명은 개념변화도 가능할 것이라 생각하지만 그에 대한 적합한 근거는 들지 못했다. 한 명은 광원에서 렌즈에 빛을 쏠 때, 광원 반대편에서 상의 위치를 바라보면 상을 확인할 수 있기 때문에 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 답했다. 두 예비교사는 스크린을 치워도 이론적으로 동일한 위치에서 상을 볼 수 있지만 관측의 한계에 의해 상을 확인하기 힘들기 때문에 개념변화가 어렵다고 답했다. 관측의 한계는 오개념 형성에 주요 요인이기 때문에, 실제 교실현상에서 일어날 수 있는 오개념 형성의 상황을 정확히 파악했다고 볼 수 있다.

(3) 질문 3-3 분석‘렌즈에 의한 상 실험에서 학생들이 가질 수 있는 오개념이 있다고 생각하십니까? 만약 있다고 생각하신다면 어떤 오개념을 학생들이 가질 수 있다고 생각하십니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 11 > 설문지 3-3 응답

도립상이 형성될 때, 상하만 바뀐다고 생각하는 오개념이 형성될 수 있다고 답했다. 이는 실험에 광원으로 사용되는 도구가 대부분 좌우 대칭을 띄고 있기 때문에, 경험적으로 습득되는 오개념으로 볼 수 있다. 그리고 상에 대해 학습하는 그림 자료 대부분이 렌즈로 평행광선이 들어가는 그림이기 때문

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인원 (명)광원으로 사용될 물체로 상하 좌우가 대칭이 아닌 것을 사용한다. 1퀴즈, 진단평가를 활용하여 적합한 개념을 실험 전에 설명한다. 2잘 모르겠다, 미응답 6

에, 학생들이 점광원에서 나온 모든 빛이 렌즈를 통과해 한 점에서 모인다고 생각할 수 있다는 답변이 있었다.

(4) 질문 3-4 분석‘오개념을 가진 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선한다면 어떤 방식으로 수정하시겠습니까?’ 라는 질문에 대한 예비교사의 응답이다.

< 표 12 > 설문지 3-4 응답

질문 3-3의 답변으로 ‘도립상이 상하만 반전이다’라는 오개념을 개선하기 위하여 실험에 사용될 광원을 상하 좌우 대칭이 아닌 것을 활용한다는 방안을 제시하였다. 그리고 실험 전에 물리학적 개념에 대한 전달을 활용하는 방안도 제시되었다.

나. 개선방안 제언

학생들은 볼록렌즈를 통과한 빛이 스크린의 위치에서 모여 상이 맺히는 것을 볼 때, 스크린 자체가 빛을 모아주는 역할을 한다는 오개념을 갖고 있다. 따라서 스크린이 없는 경우 상을 볼 수 있는 위치는 없다고 답하거나 기존의 스크린 위치와 다른 곳에서 상을 볼 수 있다고 답한 경우도 있었다. 과학고 학생들의 경우에도 19%의 학생만이 올바른 답을 한 것을 볼 때에 학생들이 가장 어려워하는 오개념 중에 하나라고 여겨진다. 이러한 경향이 보이는 원인은 빛이 진행할 때 경로가 잘 보이지 않지만 경로 중에 물체를 가져다 대면 빛이 반사되어 볼 수 있게 되는 경험들 때문이다. 실제로 대기 중에 진행하는 빛을 옆에서 볼 때, 빛을 눈으로 보기 힘들지만 진행경로에 직접적으로 눈을 가져가면 빛을 볼 수 있다. 옆에서 관찰한 빛이 눈에 잘 보이지 않는 이유는 빛이 경로 중 반사 될 물체가 없어 우리 눈에 도달하지 못하기 때문이다. 위의 원리에 의해 물체에 의한 상에서 스크린에 상을 맺히는 위치에 스크린을 치우고 눈을 가까이 가져갈 때, 스크린이 위치했던 곳에 동일한 상이 맺히는 것을 직접 눈으로 확인할 수 있다. 따라서 개념변화를 도울 수 있다고 응답한 예비교사들은 이와 같은 실험방안을 답해주셨다. 그러므로 물체에 의한 상 실험은 학생들이 갖고 있는 오개념을 인지시켜주고 올바른 개념변화에 도움을 줄 수 있는 실험으로 볼 수 있다.

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Ⅴ. 결론

앞으로 학교에서 운영될 2015개정 교육과정은 학생들의 미래핵심역량을 증진시키고 전인적 성장을 돕는데 목표를 두고 있다. 이를 위하여 개정 교육과정 내 수업은 강의식 수업에서 벗어나 학생 참여형 수업을 권장한다. 학생들을 수업 내 주체로써 참여시키기 위해 실험 · 실습 활동, 토의 · 토론 활동이 증가되고, 따라서 과학 교육 내에 실험이 교육적 활동으로 차지할 비율이 늘어나게 될 것이다. 본 글에서 분석한 고등학교 물리실험 교재 내 실험은 물리학적 이론을 확인해보는 것에 초점이 맞추어져있다. 실험은 본래의 취지에 맞추어 잘 설계되어 있고 이론에 부합되는 결과들을 도출시킬 수 있다. 그러나 연구 결과에서 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 돕는데 어려움을 갖는 것을 볼 수 있다. 오개념이 변화되지 않은 채 단순한 개념 입증을 위한 실험이 진행된다면, 학생들은 암기식으로 물리 개념을 습득하게 될 것이다. 암기식으로 얻어진 개념들은 실제 학생들이 접하는 상황과 분절적으로 습득하게 되는 것이기 때문에 물리지식을 실제 상황으로의 전이시키는 것이 어렵게 되고 그에 따라 학습동기가 낮아질 수 있게 된다. 그러나 여전히 실험 그 자체는 학생들에게 경험적으로 물리 지식을 접할 수 있는 기회를 제공해주며, 교실 내에서 주체성을 갖게 하여 적극적인 학습을 촉구시킨다. 이러한 긍정적인 측면을 적극 활용하기 위해서 교사는 실험의 개선과 새로운 실험 활동에 대해 지속적으로 연구하고, 개선하는 방안을 고안하여 학생들에 적합한 실험을 제공해 줄 수 있는 전문성을 길러야 한다. 그렇기 위해서 교사는 첫 번째로 진단평가를 통하여 학생들의 특징을 정확히 파악할 수 있어야 한다. 학생들의 선행학습 수준과 선개념 등을 파악할 때, 학생이 실험 과정 내에 겪게 될 어려움을 파악할 수 있게 되며 그에 따라 실험 개선 방안의 방향을 올바르게 결정할 수 있다. 두 번째는 전문적 학습공동체를 통하여 동료교사들과 연구 자료들을 공유하고 피드백을 받으며 공동 연구를 할 필요성이 있다. 동료교사와의 공동연구는 자신의 연구에 부족한 점을 파악할 수 있게 하고, 피드백을 통해 개선을 도울 수 있다. 이와 같이 교사의 자발적이고 지속적인 연구를 통해 실험을 발전시킨다면 물리 수업 내 학생의 동기를 높일 뿐만 아니라 개념에 대한 학습능력도 높아질 것이다.

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Ⅳ. 참고문헌권재술, 김범기(1993), 과학 오개념 편람, 한국교원대학교 물리교육연구실

변태진 외(2013), 고등학교 물리실험, 서울특별시교육청

송진웅 외(2004), 학생의 물리 오개념 地圖, 북스힐

Driver, R., &Oldham, V. (1986). A constructivist approach to curriculum development in science.

Posner, G. J., Strike, K. A., Hewson, P. W., & Gertzog, W. A. (1982). Accommodation of a scientific conception: Toward a theory of conceptual change. Science education, 66(2), 211-227.

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설문조사역학[오개념 문제 – 1]

1. 원운동에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들이 물리실험 교재 내 ‘등속 원운동’ 실험을 통해 자신이 갖고 있는 오개념을 인지할 수 있다고 생각하십니까?

2. 등속 원운동 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 생각하십니까? 왜 그렇다고 생각하십니까?

3. 등속 원운동 실험에서 학생들이 가질 수 있는 오개념이 있다고 생각하십니까? 만약 있다고 생각하신다면 어떤 오개념을 학생들이 가질 수 있다고 생각하십니까?

4. 오개념을 가진 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선한다면 어떤 방식으로 수정하시겠습니까?

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전자기학[오개념 문제 – 2]

1. 도체의 자유전자 분포에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들이 물리실험 교재 내 ‘정전기 유도’ 실험을 통해 자신이 갖고 있는 오개념을 인지할 수 있다고 생각하십니까?

2. 정전기 유도 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 생각하십니까? 왜 그렇다고 생각하십니까?

3. 정전기 유도 실험에서 학생들이 가질 수 있는 오개념이 있다고 생각하십니까? 만약 있다고 생각하신다면 어떤 오개념을 학생들이 가질 수 있다고 생각하십니까?

4. 오개념을 가진 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선한다면 어떤 방식으로 수정하시겠습니까?

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빛과 파동[오개념 문제 – 3]

1. 물체의 상에 대해 오개념을 갖고 있는 학생들이 물리실험 교재 내 ‘렌즈에 의한 상’ 실험을 통해 자신이 갖고 있는 오개념을 인지할 수 있다고 생각하십니까?

2. 렌즈에 의한 상 실험이 오개념을 갖고 있는 학생들의 개념변화를 도울 수 있다고 생각하십니까? 왜 그렇다고 생각하십니까?

3. 렌즈에 의한 상 실험에서 학생들이 가질 수 있는 오개념이 있다고 생각하십니까? 만약 있다고 생각하신다면 어떤 오개념을 학생들이 가질 수 있다고 생각하십니까?

4. 오개념을 가진 학생들의 개념변화를 돕기 위해 실험을 개선한다면 어떤 방식으로 수정하시겠습니까?