낯선 물리학 현상에 대한 고등학생과 대학생의 과학적 설명과 모델 구성: 슬링키 낙하 실험의 사례를 중심으로 = Scientific Explanations and Model Construction by High School and University Students on an Unfamiliar Physics Phenomenon: A Case Study of the Falling Slinky Experiment

국문 초록 (Abstract)

과학의 주요 목표는 자연 현상의 인과관계를 밝히는 데 있으며, 과학을 수행한다는 것은 곧 자연 현상에 대한 과학적 설명을 구성하는 과정이라 할 수 있다. 따라서 학생이 과학적 설명을 구성하는 역량을 갖추는 것은 과학교육의 핵심 목표 중 하나이다.
과학적 설명 과정에서 활용되는 다양한 도구 중 가장 핵심적인 것은 과학적 모델이다. 과학적 모델은 기하학적 구조와 여러 표상으로 과학의 대상이 되는 현상을 표현하며, 현실 세계와 추상적인 이론 체계를 연결하는 가교 역할을 한다. 학생들은 자신의 인지 구조와 경험을 바탕으로 과학적 모델을 생성 및 수정하지만, 이는 과학자의 모델 구성과는 다른 특성을 지닌다. 과학적 설명과 모델 구성의 중요성은 과학교육 전반에서 점점 강조되고 있으나, 실제 수업 맥락에서 학생들의 모델 구조화와 그 수정 과정을 분석한 실증 연구는 제한적이다.
본 연구는 이러한 문제의식에 기반하여, 낯선 물리학 현상을 마주한 학생들이 이를 설명하는 과정에서 과학적 모델을 어떻게 구성하는지, 또 이를 다시 어떻게 수정하는지를 면밀히 분석하고자 하였다. 슬링키 낙하(늘어뜨린 슬링키가 자유낙하할 때, 공중에 뜬 것처럼 보이는 현상) 실험을 낯선 물리학 현상으로 제시하고, 이에 관한 학생들의 설명 속 모델 구성을 분석하였다.
질적 연구 접근을 활용하여 고등학생과 물리교육 전공 대학생을 대상으로 수업 맥락에서의 탐구 활동과 개별 면담을 수행해 자료를 수집하였다. 과학적 모델링 관련 선행연구를 기반으로 분석틀을 설계하여 학생의 모델 구조화 및 수정 과정을 범주화하는 데 활용하였다.
본 연구는 연구 1과 연구 2, 두 부분으로 구성되었다. 연구 1에서는 아무것도 매달지 않은 슬링키를 자유낙하시키는 실험에서 학생들이 제시한 설명 속 과학적 모델의 구조화 과정과 그 특징을 분석하였다. 연구 2에서는 실험 상황을 변화시켜 이에 대한 학생의 설명에서 나타난 과학적 모델의 수정 과정을 분석하였다. 변화된 실험 상황은 첫째, 테니스공을 매단 슬링키의 자유낙하 실험 상황, 둘째, 슬링키의 가운데 부분의 운동을 의도적으로 관찰하도록 한 상황이다. 익숙해진 모델을 다시 낯설게 하는 실험 상황의 변화로, 이는 학생들의 모델 수정 과정을 더욱 정교하게 드러내기 위한 장치였다.
연구 1에서는 슬링키 낙하 현상을 설명하는 과정에서 학생들이 구성한 과학적 모델의 구조화 양상을 다음과 같이 분석하였다.
첫째, 학생들의 ‘예측 설명’에서 나타난 두 모델은 ‘양 끝 질점 모델’과 ‘한 덩어리 모델’이었다. ‘양 끝 질점 모델’은 슬링키의 양 끝을 각각 하나의 질점(개체)으로 설정하고, 각 지점의 운동을 독립적으로 분석한 모델이다. 이 모델은 아랫부분의 정지 현상을 힘의 평형 개념으로 쉽게 설명할 수 있어 학생들의 예측 성공률이 높았다. ‘한 덩어리 모델’은 슬링키 전체를 하나의 질점(개체)으로 설정하여 슬링키 전체가 자유낙하한다고 설명하는 모델이다. 이 모델은 ‘수축 모델(슬링키가 중심을 기준으로만 수축한다고 보는 모델)’과 결합하여, 실제 현상과는 다른 방향의 예측을 초래하는 경우가 다수 있었다.
둘째, 학생들의 ‘결과 설명’에서 모델은 ‘양 끝 질점 모델’로 수렴하였다. 이는 (1) 교과서의 탄성력 개념, (2) 인과-메커니즘 설명을 유도한 교사 질문의 영향 때문이었다.
셋째, 물리교육 전공 대학생들은 고등학생과 달리, 복수의 모델을 활용하거나 모델의 보편성과 일관성을 높이려는 시도를 하였다. 이러한 차이는 과학적 설명에 대한 인식의 차이에서 비롯된 것으로 분석된다.
연구 2에서는 변화된 슬링키 낙하 상황에 대한 학생들의 설명 속 과학적 모델의 수정 과정을 다음과 같이 분석하였다.
첫째, 학생들은 변화된 상황을 기존의 ‘양 끝 질점 모델’을 바탕으로 수정한 두 모델―장력 추가 모델, 중력 증가 모델―로 결과를 예측하였다. 예측의 정확도는 학생이 어떤 모델 유형을 사용했는가보다는 탄성력 변화에 대한 인지 여부에 의존하였다. 특히 낙하 직전의 정지 상황을 모델 조건에 포함한 경우, 탄성력의 증가를 명확하게 인식하였다.
둘째, 슬링키 가운데 부분의 운동을 의도적으로 관찰하도록 하자, 다수의 학생이 ‘가운데 정지 모델’을 새롭게 도입하였다. 이 모델은 가운데 부분의 정지 현상에 맞추어 힘의 크기를 조정한 운동 방정식 기반 모델이다. 즉, 탄성력에 대한 명확한 이해 없이도 해당 모델을 먼저 설정할 수 있었고, 이 모델로 현상을 설명하는 과정에서 일부 학생들은 슬링키 전체의 탄성력 분포를 정확히 이해하게 되었다.
셋째, 학생들의 모델 수정 과정을 저해하는 주요 요인은 (1) 편향된 직관에 의존하여 작은 오류를 받아들이는 경향(인지적 편향), (2) 초기 모델에 대한 강한 집착, (3) 탄성력에 대한 오개념, (4) 관성 개념의 부정확한 적용, (5) 허구적 모델과 물리적 모델 사이의 혼동,다섯 가지로 나타났다.
이상의 논의를 토대로, 본 연구는 학생들이 낯선 물리 현상을 마주하며 구성한 불완전한 모델이 개념 형성의 탐색적 기제로 작용할 수 있음을 확인하였다. 특히 슬링키 낙하 실험은 탄성력과 정지 조건과 같은 복잡한 물리 개념을 시각화하고 개념 전환을 유도하는 데 효과적이었으나, 오개념과 모델 고착 또한 빈번히 나타났다. 이에 따라 모델링 중심 수업에서는 교수자의 정제된 질문과 구조화된 피드백이 중요함을 시사한다. 나아가 본 연구는 과학적 모델링을 현상의 재현이 아닌 의미 구성의 과정으로 이해하고, 학습자 관점에서 재구성할 필요성을 제기한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The main goal of science lies in revealing the causal relationships of natural phenomena, and conducting science can be regarded as the process of constructing scientific explanations of such phenomena. Therefore, fostering students' ability to construct scientific explanations is one of the core goals of science education.
Among the various tools used in scientific explanation, the most essential is the scientific model. A scientific model expresses target phenomena through geometrical structures and various representations, serving as a bridge between the real world and abstract theoretical systems. Students generate and revise scientific models based on their cognitive structures and experiences, but these processes differ from those used by scientists. Although the importance of scientific explanation and modeling is increasingly emphasized across science education, empirical studies analyzing how students structure and revise models in actual classroom contexts are still limited.
Based on this awareness, this study aims to examine how students construct and then revise scientific models when they encounter unfamiliar physical phenomena. The falling slinky experiment—where a suspended slinky appears to float in midair during free fall—was presented as an unfamiliar physics phenomenon, and the scientific models embedded in students’ explanations of this phenomenon were analyzed.
Using a qualitative research approach, data were collected through classroom-based inquiry activities and individual interviews with high school students and physics education majors. Based on previous research, an analytical framework was developed and used to categorize students' processes of model construction and revision.
This study consists of two parts: Study 1 and Study 2. Study 1 analyzed the processes and characteristics of students’ scientific model construction tin their explanation of the free fall of a slinky.
In their predicted explanations, two models appeared: the “dual-point-mass model” and the “single-mass model.” The dual-point-mass model regards the top and bottom of the slinky as individual masses and analyzes their motion independently. This model enabled easier explanation of the stationary bottom based on the concept of force equilibrium, and showed higher predictive success. The single-mass model regards the slinky as one unified mass and explains the fall as a whole; it was often combined with a “compression model,” which assumed symmetrical contraction around the center of the slinky and often led to incorrect predictions.
In students’ final explanations, their models mostly converged into the dual-point-mass model. This was due to (1) the elastic force concept presented in textbooks and (2) teacher questioning that led students toward causal-mechanistic explanations. Physics education majors, unlike high school students, used multiple models or attempted to increase coherence and generalizability in their explanations. These differences are interpreted as stemming from different understandings of scientific explanation.
Study 2 analyzed the process by which students revised their scientific models in response to altered experimental conditions. Two changes in experimental conditions were introduced: (1) attaching a tennis ball to the slinky, and (2) guiding students to intentionally observe the motion of the slinky’s center. Students revised the existing dual-point-mass model by incorporating two key ideas: (1) added tension, and (2) increased gravitational force. Prediction accuracy depended not on the model type itself but on whether students recognized the change in elastic force. Especially when the stationary condition before the fall was included in the model, the change in elastic force was clearly recognized.
In the second condition, when students observed the center of the slinky, many introduced a new “center-stationary model,” which adjusted the force magnitudes in the equation of motion to match the observed stillness. This model was often constructed without a full understanding of elastic force; however, through the process of using it to explain the phenomenon, some students deepened their understanding of the force distribution throughout the slinky.
Five main factors were identified as barriers to model revision: (1) the tendency to accept small errors based on biased intuition (cognitive bias), (2) strong attachment to initial models, (3) misconceptions about elastic force, (4) inaccurate application of the concept of inertia, and (5) confusion between fictional and physical models.
Based on the findings, this study illustrates that incomplete models constructed by students when encountering unfamiliar physical phenomena can act as exploratory mechanisms for conceptual development. The falling slinky experiment was effective in visualizing complex physical concepts such as elastic force and the stationary condition, and in inducing conceptual change. However, frequent misconceptions and model fixation were also observed. These findings suggest that modeling-centered instruction requires well-structured teacher questioning and feedback. Furthermore, this study emphasizes the need to understand scientific modeling not as a process of reproducing phenomena, but rather as a process of constructing meaning, and to reconceptualize it from the learner’s perspective.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 v
• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구의 필요성 1
• 1.2. 연구 질문 8
• 1.3. 연구 과정의 개요 9
• 1.4. 용어의 정의 11
• 1.5. 연구의 제한점 15
• 제2장 이론적 배경 및 선행연구 16
• 2.1. 과학적 설명(scientific explanation) 16
• 2.2. 과학적 모델(scientific model) 24
• 2.3. 모델링 스키마(modeling schemata) 36
• 2.4. 과학 교육과정에서의 용수철과 탄성력 44
• 제3장 연구 방법 54
• 3.1. 연구 참여자 54
• 3.2. 탐구 상황: 슬링키 낙하 실험(Slinky drop) 54
• 3.3. 자료 수집 60
• 3.4. 분석 방법 62
• 제4장 (연구 1) 슬링키 낙하에 대한 학생 설명에서의 과학적 모델 구조화 과정 79
• 4.1. 예측 설명에서 나타나는 두 모델의 특징 79
• 4.2. 결과 설명에서 나타나는 모델의 변화 93
• 4.3. 대학생과 고등학생이 구성한 모델의 차이 99
• 제5장 (연구 2) 변화된 슬링키 낙하에 대한 학생의 과학적 모델 수정 과정 106
• 5.1. 변화된 실험 상황에서 학생 모델의 변화 양상 106
• 5.2. 관찰의 확장에 따른 학생의 모델 변화 120
• 5.3. 적절한 모델 형성을 저해하는 요인 133
• 제6장 요약 및 결론 146
• 6.1. 요약 146
• 6.2. 결론 및 시사점 148
• 참고문헌 151
• ABSTRACT 158