한 교사의 고등학교 물리학 수업의 사각지대에 대한 이해 = An Understanding of the Blind Spots in Physics Classes Explored by a High School Teacher

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In physics education, many researchers have studied the difficulties that teachers face in physics teaching. In particular, to understand the difficulties that teachers face during classes, researchers have tried to define terms such as ‘dilemma’ or ‘inconsistency situations’, and to address teachers’ practical difficulties. However, it is difficult to find studies that explore the difficulties teachers face in their classes from the points of view of the nature of scientific theories or the characteristics of the curriculum.
Therefore, in this study, we tried to address the teaching difficulties experienced by a teacher while teaching ‘collision,’ ‘electric field,’ and ‘refraction of light’ in high school physics classes, based on the nature of scientific theories and the characteristics of the curriculum. To this end, we conceptualized the gaps in the subject content that the teacher became aware of through students’ questions as ‘blind spots in physics classes’. In addition, we conducted action research in order to understand the process in which the teacher discovered and understood these blind spots in his own teaching. The results of this study are as follows.
First, the process by which a teacher discovered and understood blind spots in physics classes involved recognizing dissatisfaction with his own teaching, reflecting critically on his classes, and exploring subject content to improve them. Understanding the blind spots required lots of concern such as exploring the content of students’ questions, reflecting on classroom situation, investigating gaps in the subject content, and engaging in comprehensive reflection on the process of action and reflection.
Second, there were lots of reasons for the blind spots in the teacher’s physics classes, as follows.
(1) The physics theories that explain collision phenomena through models could not explicitly explain the collision process. Additionally, the teacher had an insufficient understanding of these aspects.
(2) The characteristics of the curriculum, such as optimization of learning volume, limited class hours, reflecting students’ interests and recent scientific and technological achievements, resulted in limited explanations of the background and central ideas of the electric field concept in the 2009 and 2015 revised physics textbooks. Additionally, the teacher had an insufficient understanding of these aspects.
(3) The characteristics of the spiral curriculum resulted in variations in the depth and breadth of subject content at different educational levels. In other words, the lower the educational level, the more gaps there are in the subject content. Therefore, when applying a spiral curriculum, it is essential to consider students’ understanding, appropriate learning volume, and class hours relevantly. However, the results of this study revealed that the 2015 revised curriculum and textbooks have weak logical hierarchy and connections between related concepts in the content of light refraction. Additionally, the teacher’s insufficient understanding of these aspects led to the blind spots.
Through this study, it was found that blind spots in physics classes occur in deep connection with the components of physics classes, such as teachers, students, physics, and the curriculum.
Based on these findings, we discussed the educational significance of blind spots: blind spots are one of the causes of teaching difficulties and a chance to improve physics teaching. Additionally, we discussed the implications for curriculum and textbook development.

국문 초록 (Abstract)

물리교육계에서는 물리학 교수-학습 상황에서 발생하는 교사의 어려움과 관련된 많은 연구가 수행되어왔다. 특히, 수업 중 발생하는 교사의 어려움을 이해하기 위해 ‘딜레마’나 ‘불일치 상황’과 같은 용어를 정의하며 교사의 실제적인 어려움을 탐구해 왔다. 그러나 수업에서 교사가 경험하는 어려움을 과학 이론의 본성이나 교육과정의 특성을 바탕으로 탐구한 연구는 찾아보기 어려운 편이다.
이에 본 연구에서는 한 교사가 고등학교 물리학 수업에서 ‘충돌’, ‘전기장’, ‘빛의 굴절’을 가르치며 경험한 교수 어려움을 과학 이론의 본성이나 교육과정 특성 측면에 주목하여 심층적으로 탐구하였다. 이를 위해 본 연구에서는 학생의 질문을 통해 교사가 인식하게 된 교과내용의 빈틈을 ‘물리학 수업의 사각지대’라는 용어로 개념화하였다. 그리고 교사가 자신의 수업에서 사각지대를 발견하고 이해하는 과정에 대한 실행 연구를 진행하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
첫째, 한 교사가 물리학 수업의 사각지대를 발견하고 이해하는 과정은 자신의 수업에 대해 내적 불만족감을 느끼고, 이를 개선하기 위해 끊임없이 수업과 교과내용을 비판적으로 성찰하는 과정이었다. 사각지대를 이해하기 위해서는 학생 질문 내용에 대한 탐구, 수업 상황에 대한 반성, 교과내용의 빈틈에 대한 탐구, 그리고 실행과 반성 과정에 대한 종합적인 성찰이 필요하였다.
둘째, 한 교사의 물리학 수업에서 사각지대가 발생하는 원인은 각 사례에 따라 다음과 같다.
(1) 모델을 통해 충돌 현상을 설명하는 물리학 이론의 특성으로 인해 교육과정이나 교과서에 명시적으로 충돌 과정에 대한 내용을 다루고 있지 않았다. 더불어 이에 대한 교사의 이해가 부족했기 때문이다.
(2) 학습량 적정화, 제한된 수업 시수, 학생의 흥미와 최근 과학 기술의 성과를 반영하는 교육과정의 특성 –그리고 나선형 교육과정의 특성- 으로 인해 2009개정 및 2015개정 물리학 교과서에 전기장 개념의 도입 배경과 중심적인 아이디어에 대한 설명이 제한적이었다. 더불어 이에 대한 교사의 이해가 부족했기 때문이다.
(3) 나선형 교육과정의 특성으로 인해 학교급별로 교과내용의 깊이와 폭이 달라진다. 즉, 학교급이 낮을수록 교과내용의 빈틈이 많아질 수밖에 없다. 따라서, 나선형 교육과정을 적용할 때 학생의 이해 가능성, 적정한 학습량(및 수업 시수)을 최대한 고려하여야 한다. 그러나 이번 연구 결과 2015개정 교육과정이나 교과서에는 빛의 굴절 내용의 논리적 위계나 관련 개념과의 연계가 약한 것으로 드러났다. 더불어 이에 대한 교사의 이해가 부족했던 것이 사각지대가 발생하는 주요한 원인으로 파악되었다.
이를 통해, 물리학 수업의 사각지대는 물리학 수업의 구성 요소인 교사, 학생, 물리학, 교육과정과 깊은 연관 속에서 발생한다는 것을 알 수 있었다.
이상의 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서는 교사의 교수 어려움의 원인 중 하나로서 사각지대의 교육적 의미와 수업에서 고려해야 할 사항에 대해 논의하였다. 더불어, 본 연구가 교사에 의한 교육과정 재구성과 교육과정 및 교과서 개발에 주는 시사점에 대해 논의하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 · 1
• 1.1. 연구의 필요성 및 연구 문제 · 1
• 1.2. 용어의 정의 · 4
• 1.2.1. 물리학 수업의 사각지대 · 4
• 1.2.2. 과학 이론의 본성 · 7
• 1.2.3. 나선형 교육과정 · 7
• 1.2.4. 교과내용 · 8
• 2. 선행 연구와 이론적 논의 · 9
• 2.1. 과학 이론의 본성 · 9
• 2.1.1. 구문론적 관점 · 9
• 2.1.2. 모델 기반 관점 · 12
• 2.1.3. 교육적 함의 · 16
• 2.2. 우리나라 과학과 교육과정의 특성 · 18
• 2.2.1. 나선형 교육과정 · 18
• 2.2.2. 학습량 적정화를 위한 노력 · 25
• 2.2.3. 일상생활과 첨단 과학 기술 내용의 강조 · 34
• 2.2.4. 교육적 함의 · 39
• 2.3. 실행 연구 · 40
• 3. 연구 방법 · 47
• 3.1. 연구자 · 47
• 3.2. 연구 절차 · 50
• 3.3. 자료 수집 및 분석 · 53
• 4. 연구 결과 Ⅰ: 충돌 수업 · 56
• 4.1. 계획 · 56
• 4.1.1. 문제의 발견: 두 물체의 충돌 과정 중 힘은 어떻게 작용하나요? · 56
• 4.2. 실행: 선행 연구 조사 · 59
• 4.2.1. ‘충돌 과정’ 자체가 주된 관심은 아님 · 59
• 4.2.2. 충돌 과정과 관련된 힘의 작용은 여러 모델로 설명됨 · 61
• 4.3. 성찰: 수업 반성 · 65
• 4.3.1. 수업에서 충돌 과정 중 힘의 작용을 고려하지 못함 · 66
• 4.4. 계획 · 69
• 4.4.1. 교과서 분석 계획 · 69
• 4.5. 실행: 교과서 분석 · 72
• 4.5.1. 학부 교과서는 점입자 모델로 충돌을 설명함 · 72
• 4.5.2. 고등학교 교과서는 ‘충돌 과정’에 대한 의미를 생성함 · 74
• 4.6. 성찰 · 78
• 4.6.1. 사각지대의 발생 원인: 모델을 통해 충돌 현상을 설명하는 물리학 이론의 특성과 교사의 이해 부족 · 78
• 4.6.2. 사각지대의 교육적 의미와 수업에서 고려해야 할 사항 · 81
• 5. 연구 결과 Ⅱ: 전기장 수업 · 84
• 5.1. 계획 · 84
• 5.1.1. 문제의 발견: 굳이 왜 복잡한 전기장을 이용해 설명하나요? · 84
• 5.2. 실행: 과학사 검토 · 88
• 5.2.1. 과학사 속에서 물리학자들은 ‘상호작용’과 ‘장’에 대해 서로 다른 ‘중심 생각’을 가지고 있음 · 89
• 5.3. 성찰: 수업 반성 · 101
• 5.3.1. 수업내용에 장 개념의 도입 배경과 ‘중심 생각’이 빠져 있었음 · 101
• 5.4. 계획 · 102
• 5.4.1. 고등학교 물리학 교과서 분석 계획 · 102
• 5.5. 실행: 고등학교 물리학 교과서 분석 · 104
• 5.5.1. 고등학교 물리학 교과서에는 물리학자의 ‘중심 생각’에 대한 설명 부족 · 104
• 5.6. 성찰 · 110
• 5.6.1. 사각지대의 발생 원인: 교육과정의 특성과 교사의 이해 부족 · 110
• 5.6.2. 사각지대의 교육적 의미와 수업에서 고려해야 할 사항 · 113
• 6. 연구 결과 Ⅲ: 빛의 굴절 수업 · 117
• 6.1. 계획 · 117
• 6.1.1. 문제의 발견: 빛은 왜 속력이 느린 매질 쪽으로 꺾이나요? · 117
• 6.2. 실행: 전공 광학 교과서 검토 · 120
• 6.2.1. 학부 수준에서는 빛의 굴절과 관련된 내용을 주로 전자기 이론이나 파동광학을 이용해 설명함 · 121
• 6.3. 성찰: 수업 반성 · 123
• 6.3.1. 수업에서 빛의 굴절과 관련된 학생 질문 내용이 명확하게 다루어지지 않음 · 123
• 6.4. 계획 · 125
• 6.4.1. 교육과정 및 교과서 분석 계획 · 125
• 6.5. 실행: 교육과정 및 교과서 비교 분석 · 126
• 6.5.1. 빛의 굴절 교과내용은 논리적 위계가 약함 · 126
• 6.5.2. 빛의 굴절 교과내용은 연계의 빈틈이 있음 · 133
• 6.5.3. 빛의 굴절 교과내용은 굴절 현상을 두 모델로 설명함 · 136
• 6.6. 성찰 · 138
• 6.6.1. 사각지대의 발생 원인: 나선형 교육과정의 특성과 교사의 이해 부족 · 138
• 6.6.2. 사각지대의 교육적 의미와 수업에서 고려해야 할 사항 · 141
• 7. 결론 및 논의 · 145
• 7.1. 요약 및 결론 · 145
• 7.2. 논의 · 150
• 7.3. 연구의 한계 및 향후 연구 제안 · 155
• 참고문헌 · 157
• Abstract ·167