새로운 접근을 통한 에너지의 이해 : 과학의 실천전통에 기반한 과학연구를 중심으로 = A New Approach to Understanding Energy: Science Research Based on the Tradition of Scientific Practice|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Science education communities, both domestically and internationally, have consistently emphasized the importance of scientific inquiry. In light of this trend, the competency of science teachers in guiding inquiry has been recognized as critical. However, in-service science teachers often face significant difficulties in providing such guidance. One of the primary causes of these difficulties is the distinct lack of opportunities for teachers to experience direct scientific inquiry, namely, science research during pre-service teacher training and professional development programs.
In response to this deficiency, science education communities have proposed Research Experiences for Teachers(RET) programs as a strategic measure to overcome these challenges. Representative types of RET programs include Science Research Model(SciRes) and Science Pedagogy-Focused Model(SciPed). However, these types have been reported to have limitations, such as the long duration required for completion, the difficulty of translating the experience into actual school instruction or curricula, and their insufficiency in allowing participants to experience the essence and rich context of scientific research. Recently, a model of science research based on Practices in Science has been proposed as an approach to address these limitations. This type refers to research in which the researcher pursues an 'authentic understanding' by being invited to and participating in practices in Science.
Meanwhile, since the establishment of the National Curriculum, the concepts of work and energy have consistently been included in science education. In Korean secondary school textbooks, energy is commonly defined as “the ability to do work.” However, many studies have questioned the validity and appropriateness of this definition. Therefore, more fundamental reflections on the concepts of work and energy and the development of improved teaching approaches are required. Such efforts should not be limited to professional scientists but should be conducted by science teachers who directly encounter these issues in classroom practice. In this regard, teachers’ own inquiry and reflection on the concepts of work and energy are necessary.
In this study, a new form of science research conducted by an in-service teacher based on the Practices in Science was implemented, focusing on the domain of work and energy. The research question was: “Is energy the ability to do work?” Through this question, the study aimed to pursue a authentic understanding of energy.
Specifically, this study analyzed previous research related to the research question based on the six facets of authentic understanding. The study was conducted through peer review among co-researchers. In the first stage, Lehrman’s (1973) paper and seven related studies were analyzed using the six facets of authentic understanding. In the second stage, the limitations identified in previous studies were addressed by pursuing a authentic understanding of energy grounded in the Practices in Science.
The results revealed that the self-knowledge facet was absent in previous studies analyzed using the six facets of authentic understanding. By addressing this limitation, this study presented all facets of authentic understanding of energy. It was found that defining energy as the ability to do work originates from a mechanical perspective on nature. Some forms of energy that cannot be adequately explained by this definition were identified as physical quantities interpreted within a field-theoretic perspective. Furthermore, the definition and interpretation of energy were found to vary depending on perspectives on nature. Recently proposed theories interpreting energy as information were identified as representing an informational perspective. These diverse perspectives on energy and their development were illustrated through flowchart and Discipline-Culture diagram.
Through this analysis, all six facets of authentic understanding of energy were derived. The findings indicate that energy is a multilayered concept that continues to expand and develop, and that perspectives on energy are also continuously evolving.
The results of this study are expected to serve as foundational data for improving teaching and learning, classroom instruction, and developing pedagogical strategies related to work and energy education. Meanwhile, this study represents an initial case of science research based on Practices in Science, attempted as a new form of science research for teachers. It is anticipated that, building on this study, science research based on Practices in Science will become activated and systematized, thereby establishing itself as a new paradigm of research for teachers.

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국문 초록 (Abstract)

국내외 과학교육에서는 과학 탐구의 중요성을 지속적으로 강조해 왔다. 이에 따라 과학교사들의 과학 탐구 지도 역량은 매우 중요하게 인식되어 왔다. 그러나 현장의 과학 교사들은 지도하는 데 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 어려움의 원인들 중 하나로 예비 교사 과정 및 교사 연수 과정에서 직접적인 과학 탐구, 즉 과학연구를 경험할 수 있는 기회가 매우 부족하다는 점이 있다.
국내외 과학교육계에서는 이와 같은 어려움을 극복하기 위한 방안 중 하나로, 교사를 위한 과학연구 경험(Research Experience for Teachers; RET) 프로그램이 제안되어 왔다. RET 프로그램 중 대표적 유형으로는 과학자 따라하기(SciRes)와 자신의 탐구에 집중하기(SciPed)가 있다. 그러나 이 유형들은 프로그램 수행에 긴 시간이 필요하다는 점, 실제 학교 수업이나 교육과정에 적용하기에 어렵거나, 과학연구의 본질과 풍부한 맥락을 경험하기에는 부족하다는 한계점들이 지적되어 왔다. 최근 이를 극복하기 위한 한 가지 방안으로서 과학의 실천전통에 기반한 과학연구 유형이 제시되었다. 이 유형은 연구자가 과학의 실천전통에 초대되고 참여하면서 ‘진정한 이해’를 추구해 나가는 연구를 의미한다.
한편, 국가 교육과정 고시 이래로, 일과 에너지는 한 차례도 배제되지 않고 교육 내용에 포함되어 왔다. 현재 우리나라 모든 중등 교과서에는 에너지의 정의를 ‘일을 할 수 있는 능력’으로 설명하고 있다. 그러나 이 정의의 타당성과 적절성에 대해 다수의 연구에서 문제점을 지적하였다. 따라서, 일과 에너지에 대한 보다 근본적인 고찰과 이를 통한 더 나은 교수 방안에 대한 고민이 필요하다고 본다. 이러한 시도는 전문 과학자에게만 맡길 일이 아니라, 오히려 현장에서 이와 같은 문제를 직접적으로 경험한 과학 교사들의 탐구를 통해 진행되어야 할 것으로 본다. 즉, 일과 에너지 개념에 관해 교사가 직접 탐구하고 성찰하는 교사를 위한 과학연구를 수행할 필요가 있다.
이에 본 연구에서는 일과 에너지 영역을 중심으로 현직 교사의 새로운 과학연구, 즉 교사가 직접 과학의 실천전통에 초대되고 참여하는 과학연구를 실행하였다. 구체적인 연구 질문은 “에너지는 일을 할 수 있는 능력인가?”이다. 그리고 새로운 과학연구에서는 이와 같은 연구 질문을 통하여 에너지에 대한 진정한 이해를 추구하였다.
구체적으로 본 연구에서는 진정한 이해의 6가지 측면을 중심으로 연구 질문과 관련된 선행 연구 논문을 분석하였다. 본 연구는 연구 질문인 ‘에너지는 일을 할 수 있는 능력인가?’를 중심으로 공동 연구자 간의 동료 검토 과정을 통해 진행되었다. 연구 첫 단계에서는 연구 질문과 제목으로 쓰인 Lehrman(1973)의 논문, 그리고 이와 관련된 총 7편의 관련 선행 연구들을 진정한 이해의 6가지 측면으로 분석하였다. 두 번째 단계에서는 선행연구의 특징을 참고하며 그 한계를 극복하기 위해 과학의 실천전통에 기반하여 에너지에 대한 진정한 이해를 시도하였다.
연구 결과는 다음과 같다. 에너지 관련 여러 문헌을 진정한 이해의 6가지 측면의 틀로 분석한 결과, 자기지식의 측면은 거의 드러나지 않았다. 본 연구는 이러한 한계점을 보완해 나가며 에너지에 대한 진정한 이해의 모든 측면을 제시하였다. 그 결과, 에너지를 일을 할 수 있는 능력으로 정의하는 것은 자연을 바라보는 관점 가운데 역학적 관점에서 도출된 정의임을 확인하였다. 또한 이 정의로 설명하기 어려운 일부 에너지는 장 이론적 관점에서 해석되는, 공간상에서 정의되는 물리량으로서의 에너지임을 확인하였다. 나아가 에너지의 정의와 해석은 자연을 바라보는 관점에 따라 달라질 수 있음을 확인하였으며, 최근 제안된 에너지를 정보량으로 이해하는 이론은 새로운 정보적 관점으로 제시하였다. 이러한 에너지를 바라보는 다양한 관점의 등장과 확장을 흐름도와 구조도로 제시하였다. 이를 통해 에너지에 대한 진정한 이해의 6가지 측면을 모두 도출할 수 있었으며, 에너지 개념이 지속적으로 확장 및 발전하는 다층적 개념임과 동시에 이를 바라보는 관점 또한 오늘날까지 계속해서 확장되고 있음을 확인하였다.
본 연구의 결과는 일과 에너지 교육 관련 교수학습 및 수업 개선, 교수 전략 개발 등에 필요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 본다. 한편, 본 연구는 교사를 위한 새로운 과학연구로서 시도된, 과학의 실천전통 기반 과학연구의 초기 사례에 해당한다. 향후 본 연구를 바탕으로 과학의 실천전통에 기반한 과학연구가 활성화 및 체계화되어 교사를 위한 새로운 연구로서 자리 잡을 수 있기를 기대한다.

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국내외 과학교육에서는 과학 탐구의 중요성을 지속적으로 강조해 왔다. 이에 따라 과학교사들의 과학 탐구 지도 역량은 매우 중요하게 인식되어 왔다. 그러나 현장의 과학 교사들은 지도하...

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