녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에서 정제한 serine proteinase의 특성과 DNA의 염기서열

이은예 중앙대학교 1994 국내박사

아인슈타인 논문에서 드러난 물리학 이론의 특성과 물리교육적 함의 : 보편성(Universality)을 중심으로

이은예 서울대학교 대학원 2019 국내석사

과학은 다양한 측면에서 정의된다. 예를 들어, 과학 지식의 형성 측면에서 과학은 “보편적 진리나 법칙을 발견하는 것을 목적으로 한 체계적 지식”이라고 정의할 수 있다. 따라서 보편적인 것이 과학 지식의 형성 과정에서 구체적으로 어떻게 고려되며, 어떠한 방식으로 드러나는지를 살펴보는 것은 과학의 본성을 이해하는데 중요한 일이라고 본다. 한편, 과학교육에서는 과학의 본성에 대한 교육을 오래 전부터 강조하고 있다. 그러나 과학교육 연구에서 과학의 보편성은 무엇이며, 이러한 보편성을 어떻게 가르쳐야 하는지에 관한 연구는 찾아보기 어렵다. 이에 본 연구는 우선, 과학의 보편성이란 무엇인지에 관하여 알아보고자 하였다. 특히 과학의 여러 분야 중 보편적 지식을 추구하는 대표적 학문인 물리학에서 보편성의 구체적인 특징을 찾고자 하였다. 그리고 물리학의 보편성에 대한 물리 교사들의 인식을 살펴보고, 이를 통해 물리교육적 함의를 탐색하고자 하였다. 연구의 진행 과정과 결과는 다음과 같다. 먼저 물리학의 보편성의 구체적인 특징을 아인슈타인의 일반 상대성이론 논문에서 찾고자 하였다. 그 이유는 아인슈타인은 자연 법칙이 보편적이라고 확신을 가졌던 대표적인 물리학자이며, 보편성의 추구과정을 통하여 일반 상대성이론을 발전시켰기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 아인슈타인의 일반 상대성이론 논문을 통해서 아인슈타인이 추구했던 보편성의 특징을 발견하고자 하였다. 한편, 아인슈타인은 상대성이론 뿐 아니라 양자 역학에도 가장 근본적인 아이디어를 제시한 물리학자이다. 그래서 본 연구에서는 아인슈타인의 일반 및 특수 상대성이론 논문과 더불어 광전 효과 논문에서 나타나는 보편성의 특징도 함께 찾아보았다. 아인슈타인의 논문에서 드러나는 보편성의 특징을 질적 내용 분석방법을 사용하여 보편성 추구의 시작, 보편성의 내용과 보편성 추구의 방식, 세 측면에서 살펴보았다. 먼저 일반 상대성이론 논문을 분석하고, 이 결과를 바탕으로 특수 상대성이론 논문과 광전 효과 논문을 분석하였다. 연구 결과 세 논문에서 보편성의 특징이 공통적으로 드러났으며, 그 특징은 다음과 같았다. 첫째, ‘보편성의 추구’는 기존 물리지식의 결함이나 모순에서 오는 불편함으로 인해 시작되었음이 드러났다. 둘째, ‘보편성의 내용’으로 좌표계와 무관한 물리법칙, 좌표계에 무관한 불변량, 적용 대상과 무관한 물리법칙 등이 드러났다. 셋째, ‘보편성을 추구하는 방식’은 다음의 특징이 있는 것으로 나타났다. 우선, 기존 물리지식이 가지는 결함을 구체적으로 지적하고, 기존 물리지식 중에서 보편적으로 존중받아야 할 것은 수용하였으며, 새로운 주장은 누구나 자연스럽게 받아들일만한 보편적인 주장이 되도록 하였다. 다음으로 현직 물리 교사 10명을 대상으로 물리학의 보편성에 대한 인식을 알아보았다. 이를 위해 물리학의 보편성의 특징, 물리학과 특수 및 일반 상대성이론 발전 과정에서 보편성 추구의 역할, 그리고 고등학교 물리교수학습에서 보편성의 추구 과정과 내용의 지도 필요성에 대해 설문하였다. 교사 대부분은 적용 대상과 무관한 물리법칙에 해당되는 내용을 물리학의 보편성으로 인식하고 있었다. 한편, 보편성을 사람의 이해와 관련하여 인식하는 교사도 있었다. 그리고 보편성의 추구가 물리학의 발전 과정에서 중요한 역할을 한다고 인식한 교사가 많았다. 이와 같은 응답의 이유로 그들은 적용 대상과 무관한 물리법칙에 해당되는 내용을 주로 언급하였다. 이러한 인식을 갖고 있는 교사들은 모두 고등학교 물리교수학습에서도 보편성의 추구 과정과 그 내용을 지도해야 한다고 보았다. 또한 특수 및 일반 상대성이론의 발전 과정에서도 보편성의 추구가 중요한 역할을 했다고 인식한 교사들이 많았다. 그러나 이들의 응답 내용과 아인슈타인의 논문에서 드러난 보편성의 특징을 비교해보면 보편성의 역할에 대한 교사들의 인식은 부분적이었다. 요약하면, 본 연구에서는 아인슈타인의 논문에서 드러난 보편성의 구체적인 특징을 찾을 수 있었다. 특히 상대성이론의 형성에 있어 보편성의 추구가 중요한 역할을 했다는 것을 알 수 있었다. 그리고 물리학의 보편성에 대한 물리 교사들의 이해를 돕기 위한 여러 가지 방안들(예를 들어, 보편성의 추구 과정과 내용을 바탕으로 한 상대성이론에 대한 교사 교육과 교재 및 교과서 개발)이 필요함을 확인하였다. Science is defined in a variety of aspects. For instance, it can be defined as “systematic knowledge based on the purpose of discovering universal truth or laws” from the perspective of formation of scientific knowledge. Therefore, it is considered important to explore how specifically something universal is considered in the process of formation of scientific knowledge and how it is exposed to understand the nature of science. Since a long time ago, science education has emphasized on teaching the nature of science. But it is difficult to find research on what the universality of science means in the study of science education and how such universality should be taught. In this regard, this research tried to investigate the meaning of universality in science. In particular, this research aimed to explore the characteristics of universality in detail from the typical study that pursues universal knowledge in physics. In addition, this research tried to examine physics teachers’ understanding of the universality of physics and to explore the implications for physics education. The process and results of this research are as follows: First, this research tried to find the specific characteristics of universality in physics from the research paper on the general theory of relativity by Albert Einstein. We focused on Einstein’s works since Einstein is a representative physicist who had confidence that the law of nature was universal, and he developed the general theory of relativity through the process of pursuing universality. Therefore, this research tried to discover the characteristics of universality, which were pursued by Einstein, through his research paper on the general theory of relativity. Einstein is the physicist who presented the most basic idea for not only the theory of relativity but also quantum mechanics. As such, this research looked for the characteristics of universality in Einstein’s research papers on the general and special theories of relativity as well as the research paper on photoelectric effect. Using the qualitative content analysis method, the characteristics of universality shown in Einstein’s research papers were investigated in three aspects: the beginning of the pursuit of universality, the content of universality, and the method of pursuing universality. The research paper on the general theory of relativity was first analyzed. Based on these results, the research papers of the special theory of relativity and photoelectric effect were analyzed. As the results, the three research papers showed common characteristics of universality as follows: First, it was revealed that “the pursuit of universality” was started due to inconvenience caused by defects or contradiction of the existing physics knowledge. Second, as for “the content of universality,” frame-independent laws of physics, frame-independent physical quantities(invariants), and object-independent laws of physics were identified. Third, in “the method of pursuing universality,” the following characteristics were discovered: defects of the existing physics knowledge were pointed out in detail, existing physics knowledge that needed to be regarded as universal was accepted, and new arguments were developed universal that everyone would naturally accept. Second, 10 current physics teachers were recruited to investigate their understanding of physics universality. They were surveyed on the characteristics of physics universality, the role of the pursuit of universality in the development process of physics and the special and general theories of relativity, and the necessity of teaching the process and content of pursuing universality for teaching and learning physics in high school. As a result, most teachers recognized the laws of physics irrelevant to the object of application as physics universality. Some teachers, however, recognized universality by relating it to understanding humans. Many teachers considered the pursuit of universality an important role in the development process of physics. For this reason, the content applied to the laws of physics, irrelevant to the object of application, was mentioned most. All the teachers who had such understanding thought that it was required to include the process and content of the pursuit of universality in teaching and learning of physics in high school. Moreover, many teachers thought that the pursuit of universality played a crucial role in the development process of the special and general theories of relativity. Comparing the responses and the characteristics of universality shown in Einstein’s research papers, however, the role of universality was partially recognized by the teachers. In summary, this research was able to identify the specific characteristics of universality shown in Einstein’s research papers. In particular, it was revealed that the pursuit of universality had an important role in forming the theories of relativity. Furthermore, this research revealed that it was required to develop various measures to help physics teachers understand physics universality. For instance, developing teacher education program and developing teaching materials and textbooks on the theory of relativity based on the process and content of pursuing universality.

고등학생의 특수 상대론 이해를 위한 '좋은' 물리수업의 설계와 적용: 과학의 실천전통을 기반으로

이은예 서울대학교 대학원 2025 국내박사

The theory of relativity has fundamentally transformed humanity's understanding of the natural world and is regarded as one of the key pillars of modern physics. In particular, special relativity revealed that time and space, which had been considered absolute, are not absolute, and presented a new perspective that unified them. Beyond physics, special relativity has influenced various fields and aspects of everyday life. Moreover, it exemplifies the nature of science and the characteristics of scientific progress. For these reasons, special relativity has been included in secondary education curricula not only in Korea but also in many other countries. In Korea, it has been considered an essential concept for future citizens and was incorporated into the national curriculum starting with the 2009 revision. However, students face several difficulties in learning special relativity. Understanding its content requires a shift from a classical mechanics perspective to a relativistic one. Due to space limitations in textbooks, the core concepts of special relativity are often insufficiently addressed. Therefore, teachers must analyze and interpret the curriculum and textbooks, then reconstruct the curriculum and design lessons appropriate to their classroom context. For example, various strategies must be devised to promote deep learning of scientific content within its flow and context. As one way to support such efforts by teachers, this study focused on science teaching based on practices in science. This is because practices in science can provide a vivid context for understanding scientific concepts. Specifically, practices in science represent human activities in the exploration of nature, revealing the historical flow and investigative context of science. Such characteristics of practices in science can contribute to the successful implementation of the 2022 revised science curriculum. For example, the 2022 curriculum emphasizes storylines, essence, and structure to promote deep learning, and it is expected that corresponding concrete elements can be found within practices in science. Furthermore, science teaching based on practices in science may help students overcome difficulties in learning and facilitate deep understanding. A recent study reported that a physics teaching on electromagnetic waves based on practices in science supported students' understanding of the topic. However, that study was limited to a single trial lesson. Thus, there is a need for more comprehensive and authentic research that designs and applies full instructional units based on practices in science to major physics topics in actual school settings. Accordingly, this study aimed to enhance students’ understanding of special relativity by developing and applying physics teaching based on practices in science. The specific research questions were as follows: 1. How can ‘good’ teaching on special relativity based on practices in science be designed? 2. What understanding of special relativity do the students who participated in the teaching demonstrate? The study was conducted with general high school students enrolled in the 「Physics I」 course. The data collected to examine students’ understanding included questionnaires from each lesson, a final questionnaire completed during the last lesson on special relativity, and in-depth individual interviews. To analyze the data, the study employed a modified framework based on Wiggins & McTighe’s (2005) six facets of understanding, adapted to suit science education (Lee, Shim, & Lee, 2025). The results of the study are as follows: First, the design of the special relativity teaching based on practices in science proceeded in three stages: groundwork for curriculum reconstruction, reconstruction of the curriculum, and instructional design. Specifically, the 2015 revised science curriculum was first analyzed. Then, Einstein & Infeld’s 『The Evolution of Physics (1938)』, recognized in prior studies for embodying practices in science related to relativity, was examined. Challenges students face in learning special relativity reported in previous studies were also considered. Based on these, the curriculum for special relativity (in terms of timing and content) was reconstructed. The selected content elements included: Galileo's principle of relativity, the principle of relativity, the constancy of the speed of light, the relativity of simultaneity, time dilation, length contraction, mass-energy equivalence, the new transformation(Lorentz transformation) and the muon example, problem solving, and the new concept of spacetime. The unit was organized into ten lessons. Each lesson was structured according to general instructional phases but was designed to reflect teaching based on practices in science through the stages of invitation, development/participation, and growth/evaluation. In particular, a key consideration in the teaching design was to provide students with opportunities to be invited into the practices in science and to actively participate in learning. To achieve this, every lesson incorporated the flow and context of special relativity, embedding its core ideas, ways of thinking, and values. In addition, a questionnaire was administered in each lesson so that students could reflect on and evaluate their own learning. Activities were also included to help students look back on the overall teaching of special relativity and reflect on themselves. Second, the forms of understanding demonstrated by the students who participated in the teaching are as follows. The first type was characterized by the steady formation of self-knowledge, integrating multiple facets of understanding. Four students exhibited this pattern. They deeply resonated with the practices of special relativity, actively engaged in inquiry, and were able to apply the knowledge they had acquired. These students also recognized scientific perspectives, modes of scientific thinking, and attitudes, while consistently showing metacognitive thinking by monitoring the development of their own understanding. The second type involved the formation of self-knowledge through a consistent interplay of explanation and empathy. Three students fell into this category. They empathized with the ways of thinking and attitudes of scientists of the time and expressed fascination with the lesson content. They also formed self-knowledge by evaluating themselves and committing to change. The third type was characterized primarily by explanation, with students reflecting on their learning and showing a new awareness of physics during the final stage of the lessons. Eight students were identified as fitting this pattern. In contrast, one student experienced continuous difficulty in understanding due to unresolved struggles in the early phase of learning. This study specifically presented the instructional design process based on practices in science and applied it in actual teaching. Although the degree varied, students who participated in the teaching generally showed signs of approaching authentic understanding as aspects of knowledge and understanding, processes and skills, and values and attitudes became interconnected in diverse ways. 상대성 이론은 자연 세계에 대한 인류의 이해를 바꾸어 놓은 이론으로, 현대 물리학을 이루는 중요한 기둥 중 하나로 여겨진다. 특히, 특수 상대론은 절대적으로 여겨졌던 시간과 공간이 절대적이지 않음을 밝혔으며, 이들을 하나로 통합한 새로운 관점을 제시하였다. 특수 상대론은 물리학을 넘어 다양한 영역과 우리 일상생활에도 영향을 미치고 있다. 더불어 특수 상대론은 과학의 발전 과정의 특징과 과학의 본성을 잘 보여준다. 이러한 이유로 특수 상대론은 우리나라를 비롯한 여러 나라의 중등 교육과정에 포함되었다. 특수 상대론은 국내에서 미래의 시민으로 살아가는 학생들이 지녀야 할 필수 개념 중 하나로 평가되면서 우리나라 2009 개정 교육과정부터 도입되었다. 그러나 학생들은 특수 상대론 학습에서 여러 가지 어려움을 겪고 있다. 예를 들어, 특수 상대론 내용을 이해하기 위해서는 고전역학적 관점에서 상대론적 관점으로의 전환이 필요하다. 그러나 교과서에서는 지면상의 제한으로 인해 특수 상대론의 주요 내용을 충분히 다루지 못한다. 따라서, 교사는 교육과정과 교과서를 분석하고, 해석하며, 자신의 수업 상황에 맞게 교육과정을 재구성하고, 수업을 설계해야 한다. 예를 들어, 과학의 흐름과 맥락, 그리고 내용에 대한 깊은 학습을 위한 다양한 방안을 강구해야 한다. 이와 같은 교사의 노력을 지원하는 한 가지 방안으로 본 연구에서는 과학의 실천전통에 기반한 과학수업에 주목하였다. 이는 과학의 실천전통이 해당 과학개념을 이해할 수 있는 생생한 맥락을 제공할 수 있기 때문이다. 구체적으로 과학의 실천전통은 자연을 탐구해 온 인간 활동으로서, 과학의 역사적 흐름과 탐구맥락을 보여준다. 이와 같은 과학의 실천전통의 특징은 2022 개정 과학과 교육과정을 성공적으로 구현하는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 2022 개정 교육과정에서는 깊이 있는 학습을 위해 스토리라인, 본질과 얼개를 강조하고 있는데, 이에 해당하는 구체적인 내용을 과학의 실천전통 속에서 찾을 수 있다고 기대된다. 더불어 과학의 실천전통에 기반한 과학수업은 학생들이 과학학습의 어려움을 극복하고 깊이 있는 학습을 할 수 있도록 이끌 수 있다고 본다. 최근 한 연구에서는 전자기파를 주제로 한 과학의 실천전통에 기반한 물리 수업이 학생들의 전자기파 이해에 도움을 주었다는 연구결과를 보고하였다. 그러나 이 연구는 한 차시 수업을 시범적으로 적용한 사례이다. 따라서 실제 학교 현장에서 다루는 주요 물리 주제를 단원 수준에서 과학의 실천전통에 기반하여 설계하고 적용하는 실제적이고 본격적인 연구가 필요하다고 본다. 이에 본 연구에서는 과학의 실천전통에 기반한 특수 상대론 수업을 개발하고 적용함으로써 특수 상대론에 관한 학생의 이해를 높이고자 하였다. 구체적인 연구 질문은 다음과 같다. 첫째, 과학의 실천전통에 기반한 ‘좋은’ 특수 상대론 수업은 어떻게 설계할 수 있는가?, 둘째, 수업에 참여한 학생들의 특수 상대론에 대한 이해는 어떠한가? 이다. 연구 방법은 다음과 같다. 본 연구는 일반계 고등학교 「물리학Ⅰ」 수강생을 대상으로 수행되었다. 학생의 이해를 파악하기 위해 수집된 자료는 매 차시 설문지와 특수 상대론 마지막 수업에서 작성한 최종 설문지, 개인 심층면담 자료 등이다. 수집된 자료를 분석하기 위하여 Wiggins & McTighe(2005)의 이해의 여섯 가지 측면을 과학교과에 맞게 보완한 분석틀(이경호, 심규철, & 이광표, 2025)을 활용하였다. 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 과학의 실천전통에 기반한 특수 상대론 수업 설계는 교육과정 재구성을 위한 기초 작업, 교육과정 재구성, 수업 설계의 절차로 진행되었다. 구체적으로 먼저 2015 개정 교육과정을 분석하였다. 그리고 선행연구에서 상대론의 실천전통이 잘 담겨 있다고 평가받는 Einstein & Infeld의 『The Evolution of Physics(1938)』를 분석하였다. 또한, 선행연구에서 보고된 특수 상대론 학습에서 학생들이 경험하는 어려움을 고려하였다. 이러한 내용을 토대로 특수 상대론 교육과정(학습 시기와 학습 내용)을 재구성하였다. 이상의 과정을 통해 선정된 수업 내용 요소는 다음과 같다: 갈릴레이 상대성 원리, 상대성 원리, 광속 불변 원리, 동시성의 상대성, 시간의 상대성, 길이의 상대성, 질량-에너지 동등성, 새로운 변환(로렌츠 변환)과 뮤온 사례, 문제 풀이, 새로운 시공간. 이상의 수업 내용 요소를 총 10차시 수업으로 설계하였다. 각 차시의 수업은 일반적인 수업 단계를 따르되 과학의 실천전통에 바탕을 둔 수업이 되도록 초대, 전개/참여, 성장/평가의 단계로 설계하였다. 특히, 수업 설계에서 중요하게 고려한 것은 학생들이 과학의 실천전통에 초대되어 적극적으로 수업에 참여하며 배울 수 있는 기회를 갖는 것이었다. 이를 위해 수업의 전차시에 특수 상대론의 관점, 핵심 아이디어, 사고방식, 태도(가치)가 담긴 흐름과 맥락을 적극적으로 도입하였다. 더불어 매 차시 설문지를 통해 학생 스스로가 자신의 학습을 점검하고 평가하는 시간을 갖도록 하였다. 그리고 학생들이 특수 상대론 수업 전반을 되돌아보며 자신을 성찰할 수 있는 활동을 포함하였다. 둘째, 수업에 참여한 학생들이 형성한 이해의 모습은 다음과 같다. 첫 번째 이해의 다양한 측면이 어우러지며 꾸준히 자기지식을 형성한 것이었다. 이러한 모습을 보인 네 명의 학생은 특수 상대론의 실천전통에 깊이 공감하며 탐구에 참여함으로써 습득한 지식을 적용하고, 과학의 관점, 과학적 사고방식, 태도를 인식하였다. 그리고 꾸준히 자신의 이해 변화를 살펴보는 메타적 사고를 보였다. 두 번째는, 설명과 공감이 함께 꾸준히 나타나면서 자기지식을 형성한 것으로, 세 명의 학생이 해당하였다. 이들은 당시 과학자들의 사고방식과 태도에 공감하고, 수업 내용에 대한 신기함을 나타냈다. 그리고 자신을 평가하고 변화를 다짐하는 자기지식을 형성하였다. 세 번째는, 대체적으로 설명의 측면이 주를 이루며 수업 마무리에서 자신의 학습 상태를 평가하고, 물리학을 새롭게 인식하는 자기지식의 모습이 나타나는 것이다. 이에 해당하는 학생은 여덟 명이었다. 반면, 학습 초반의 어려움이 해소되지 않아 전반적으로 이해에 어려움을 겪은 한 명의 학생이 있었다. 본 연구는 과학의 실천전통에 기반한 수업 설계 과정을 구체적으로 제시하고, 실제 수업에 적용하였다. 본 연구에서 설계한 수업에 참여한 학생들은 정도에 차이는 있지만, 대체로 지식‧이해, 과정‧기능, 가치‧태도의 측면들이 다양하게 연결되면서 진정한 이해에 다가가는 모습을 보였다.