과학 영재학생들의 MMK 수준 향상을 위한 과학실천 교육 프로그램 개발

김기향 한국교원대학교 대학원 2021 국내박사

본 연구에서는 모델의 개발과 적용 활동을 강조하기 위해 자연의 관찰이나 실험을 통해 자료를 얻는 탐구과정에 모델링 요소를 추가한 과학실천 교육 프로그램을 개발하였다. 본 연구에서 제시한 과학실천 교육 프로그램의 소재는 물의 전기분해 실험이다. 물의 전기분해 실험은 널리 알려진 단순한 실험이기 때문에 예상과 다른 실험 결과는 학생들의 탐구 동기를 유발할 수 있다. 이 연구에서는 실험과 문헌 연구를 통해 예상과 다른 현상의 원인을 밝히고, 이를 기반으로 모델링을 체험할 수 있는 과학실천 교육 프로그램을 개발하였다. 본 연구의 결과는 물의 전기분해 반응에 대한 교사의 이해를 높일 뿐 아니라 현장에서 학생들을 지도하는 교사가 실험을 계획할 때 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 또한 예비교사 교육, 영재 교육, 심화 학습 등의 자료로써 이용될 수 있을 것이다. 온라인으로 학생들의 모델링 활동을 지도할 수 있는 온라인 프로그램과 직접 학생들이 실험을 하면서 모델링 활동을 수행할 수 있는 학생실험 프로그램을 구분하여 개발하였다. 온라인 과학실천 교육 프로그램은 물의 전기분해 결과 2:1의 부피비로 수소와 산소 기체가 발생하지 않는 현상을 소재로 하였다. 이에 대한 원인을 분석하기 위해 전류효율의 개념을 도입하고, 여러 개의 전해전지를 직렬로 연결한 실험장치를 통해 각 전극에서 발생하는 기체의 부피를 전류효율로 전환하였다. 분석을 통해 수소의 전류효율이 낮은 이유는 전극의 촉매작용에 의한 NO3-의 환원때문이고, 산소의 전류효율이 낮은 이유는 전극의 산화 때문이라는 것을 확인하였다. 학생실험 과학실천 교육 프로그램은 물의 전기분해 결과 용액의 pH가 반응 전과 달라지는 현상을 소재로 하였다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 전극, 전해질, 만능지시약 등 변인을 통제하며 실험을 수행하였다. 전기분해 후 용액이 산성인 이유는 연필 흑연 전극과 만능지시약의 산화에 의한 것이고, 염기성인 이유는 NO3-의 환원에 의한 것임을 확인하였다. 예상하지 않은 현상의 원인분석 결과를 기반으로 교과서에서 제시한 모델의 한계를 인식하고 모델의 변화성, 모델의 다중성, 모델링 과정 등을 경험할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 연구에 참여한 A 과학 영재학교 학생들 중, 온라인 과학실천 교육 프로그램에 참여한 학생들은 2학년 5명이었으며, 학생실험 과학실천 교육 프로그램에 참여한 학생들은 2학년 14명이었다. 온라인으로 진행된 과학실천 교육 프로그램은 일주일에 2시간씩 2주에 걸쳐 개인별로 수행하였으며, 학생실험 과학실천 교육 프로그램은 일주일에 2시간씩 3주에 걸쳐 모둠별로 운영하였다. 과학실천 교육 프로그램의 운영은 영재학교 화학 교사가 담당하였다. 학생들은 과학실천 교육 프로그램을 통해 복잡한 현상으로부터 개념이 도출되는 과정에서 과학자들의 탐구사고를 경험할 수 있었으며, MMK 인식수준을 향상할 수 있는 기회를 가질 수 있었다. 본 연구는 MMK에 대한 학생의 인식수준을 고려한 교수학습의 예를 제안한 것이다. 교사가 변칙현상을 밝히는 과정에서 경험한 것을 재구성하고, 단계별 모델링 과정 요소를 배치함으로써 과학실천 교육 프로그램을 개발하였다. 학생들이 자신만의 모델을 만드는 창의적 사고의 경험은 교과서 확인 실험에서 발견된 기대하지 않은 결과로부터 시작되었다. 즉, 새로운 모델의 생성은 기존 모델의 한계 인식으로부터 시작되었으며 학생들의 관점과 해석을 통해 다양한 모델생성으로 이어졌다. 또한 자료로부터 모델을 평가하고 수정하는 과정은 모델의 변화성과 모델링 과정에 대한 학생들의 이해를 도왔다. 더 나아가 개념 모델의 한계 인식은 보다 명확한 개념학습으로 이어졌다. 이에 학생들의 MMK 인식수준을 향상시킬 수 있도록 모델링 활동을 강조한 과학실천 교육 프로그램을 앞으로 더 많이 개발할 필요가 있다.

국립과천과학관을 활용한 통합과학 체험학습 프로그램 개발 : 2022 개정 교육과정‘변화와 다양성’단원을 중심으로

원혜란 연세대학교 교육대학원 2024 국내석사

4차 산업혁명 시대는 학생의 흥미와 자기주도 학습의 중요성을 강조하고 있다. 2022 개정 교육과정에서도 이를 강조하며 미래 사회에 필요한 과학적 소양을 키우고, 학습자의 자발적인 학습을 유도하는 과학탐구 능력을 중요시 하고 있다. 미국 국립 연구 회의(National Research Council)에서는 탐구의 중요성과 함께 과학 지식 학습도 강조하기 위해 8가지 과학실천과 학년 군별로 성취해야 하는 8가지 과학실천의 세부 성취 목표를 제시하였다. 과학 탐구가 중요함에도 학교 수업에서의 시간 및 물리적인 제한된 상황에 의해 탐구 수업 운영에 어려움이 있지만 비형식 과학교육의 대표적인 과학관은 이를 보완해줄 수 있다. 이에 본 연구에서는 학생들의 탐구 능력 향상을 위해 국립과천과학관을 활용하여 자연사관의 전시물 및 2022 개정 통합과학 교육과정, 이 둘 간의 연계성을 8가지 과학실천으로 분석하여 체험학습 프로그램을 개발하였다. 8가지 과학실천으로 2022 개정 통합과학 교육과정의 성취기준을 분석한 결과 특정 과학실천에 편향되어 적용됨을 알 수 있었다. 이는 학생들이 과학 지식을 형성하는 과정에서 진정한 과학탐구를 경험할 수 없음을 의미한다. 본 연구에서는 2022 개정 통합과학 교육과정 성취기준을 분석한 결과를 바탕으로 8가지 과학실천이 가장 부족한 ‘변화와 다양성’단원을 연구 대상으로 선정하였고, 8가지 과학실천이 골고루 포함된 지도안을 개발하였다. 또, 전시물 분석 결과를 토대로 부족한 과학실천을 활동지에 추가하여 개발하였고, 체험학습 중에 경험하기 어려운 과학실천 7 ‘증거에 입각하여 논의하기’는 체험학습 후 지도안에 포함하여 학습지도안을 개발하였다. 이 프로그램을 통해 학생들은 8가지 과학실천을 편향되지 않게 경험할 수 있고, 다양한 탐구를 할 수 있을 것이다. 본 연구에서 제시한 체험학습 프로그램을 통해 학생이 직접 실물을 보고, 체험하는 과정에서 자발적인 학습을 할 수 있을 것이며, 활동지를 수행하는 과정에서 자아 성취감을 얻을 수 있을 것이다. 본 연구에서 개발한 활동지를 학생이 수행하면서 전시물을 스스로 해석하고, 자신이 가지고 있는 과학 지식과 연결하는 과정에서 과학적 사고력 및 비판적 사고력이 향상 될 것이다. 체험학습 마무리 수업에서 학생은 활동지에 기록한 자신의 생각을 다른 학생들과 토의 및 토론하는 과정에서도 비판적 사고력이 향상될 수 있을 것이다. 본 연구를 바탕으로 8가지 과학실천을 활용한 체험학습 프로그램의 지속적인 개발이 필요하며 실제 교육현장에 적용되어 효율성 및 성취도 검증과 보완이 이루어져야 할 것이다.

중학교 과학 교사의 수업에서 드러나는 과학 탐구 기능 분석

이상민 한국교원대학교 대학원 2023 국내석사

본 연구에서는 중학교 과학 교사의 수업을 관찰하여 중학교 과학 교과서에 반영된 과학 탐구 기능과 교사들이 수업을 통해 학생들에게 경험하도록 하는 기능이 종류와 수준에서 어떠한 차이를 보이는지 알아보았다. 우리나라 과학과 교육과정 상에 과학 기능이 제시되었으나 그에 대한 정의가 나타나 있지 않아 기능의 바탕이 된 NGSS의 과학실천과 한국과학창의재단의 기능 분석 틀을 토대로 기능을 정의하여 분석하였다. 또한 수업에서 교과서에 반영되지 않은 기능이 나타나는 사례는 어떤 특징을 보이는지 탐색하였다. 이를 위해 중학교 과학 교사 5명을 대상으로 수업을 관찰하고, 면담을 진행하여 연구 자료를 수집하고 분석하였다. 이를 바탕으로 도출한 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 교과서에 반영된 기능과 수업에서 드러나는 과학 탐구 기능을 비교 및 분석한 결과 참여 교사에 따라 교과서에 반영된 기능 외에도 추가적으로 다른 기능이 나타남을 확인하였다. 학생활동의 비율이 높은 수업에서 학생들이 경험하는 기능의 종류가 많은 것으로 나타났다. 수업에서 나타나는 기능에 영향을 미치는 요인은 참여 교사의 기능에 대한 인식, 참여 교사가 인식하는 과학 학습 목표와 이에 따른 수업 상황 등이 있었다. 교사가 수업에서 교과서 내용 외의 추가적인 활동을 계획하고 실행하였을 때, 이러한 활동들을 학생들이 경험하는 과정에서 교과서에 반영된 것 이외의 기능이 나타났다. 이러한 추가적인 활동은 교사의 역량과 관계가 있었으며, 연구 참여자들이 인식하는 과학목표와 관련을 보였다. 학생들이 교과서에 포함되지 않은 기능을 경험하는 것은 교사들의 노력의 결과물로 볼 수 있다. 둘째, 교사의 수업에서 드러나는 기능의 수준이 기대 수준보다 낮은 것을 확인하였다. 참여 교사들의 과학 수업에서 나타난 기능의 수준을 NGSS의 학년군별 과학실천의 수준을 바탕으로 비교한 결과, 교사의 수업에서 드러난 81개의 기능 중에서 대부분(49개)이 3-5학년(초등학교 고학년) 수준이었다. 유치원-2학년(초등학교 저학년) 수준의 기능이 18개인데 반해, 6-8학년(중학교) 수준은 14개로 나타나 중학교 수준의 기능은 상대적으로 적은 비율을 차지하고 있음을 확인하였다. 이는 중학교 과학 교과서에 포함된 과학실천의 수준이 대부분 3-5학년(초등학교 고학년)임을 확인하였던 선행연구의 결과와 유사하다. 연구에 참여한 교사들은 대부분 교과서에 포함된 탐구의 수준이 학생들의 수준보다 낮지 않다고 생각하였다. 이러한 인식은 수업에서 드러나는 기능의 수준에 영향을 미친 것으로 판단된다. 셋째, 참여 교사의 수업에서 드러나는 과학 탐구 기능은 교사들의 수업 계획과 차이를 보였다. 이러한 차이는 교사들이 각 기능의 정의를 명확히 인지하지 못하고 있을 뿐 아니라, 탐구 활동과 기능을 적절히 연결하는 것에 어려움을 겪고 있음을 시사한다고 볼 수 있다. 이는 우리나라 교육과정 상의 기능이 NGSS의 과학실천과 다르게 학년 구분이 없으며, 교육과정 내에 명확한 정의가 나타나 있지 않고 단순히 나열만 되어 있어 이에 영향을 받은 것으로 판단된다. 이 연구의 결과는 새로 개정되는 교육과정과 이를 바탕으로 하는 교과서, 교사 연수에 대해 시사점을 제시한다. 첫째, 교과서의 탐구 활동의 수준과 다양성은 교사가 구성하는 탐구 활동의 기준이 되어 학생들이 경험하는 기능의 수준과 다양성과 관련이 있었다. 학생들이 수준에 맞고 다양한 기능을 경험할 수 있도록 하기 위해서는 2022 개정 교육과정을 바탕으로 제작되는 교과서에 탐구 활동의 종류를 다양화하고, 중학교 수준의 탐구 활동 비율을 늘릴 필요가 있다. 둘째, 교육과정 내용체계표 상의 기능은 각 항목에 대해 구체적으로 정의한 바가 없이 내용체계를 통해 단순히 나열되고 있어 교사들은 기능과 탐구 활동을 연결하는데 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다. 따라서 교사들이 이를 적절히 수업에 적용하여 학생들에게 기능을 경험하게 하기 위해서는 개정되는 교육과정의 해설서 등에서 기능에 대한 정의와 적용 방안을 제시할 필요가 있다. 셋째, 학생들이 수업을 통해 경험하는 기능의 다양성과 수준은 교사의 인식과 관계가 있음을 확인하였다. 교사는 교육과정 실행 경험을 통해 교육과정에 대해 더 깊이 이해하므로 교사들이 교육과정을 직접 실행하고 적용하는 실연, 실습 중심의 연수를 통해 교사들이 역량을 함양할 수 있도록 지원할 필요가 있다.

사물 인터넷을 활용한 실천지향 과학 교육 프로그램의 개발 및 적용 : 기술 구성, 교사의 기술 관련 어려움, 학생의 환경과학행위성을 중심으로

가석현 서울대학교 대학원 2021 국내박사

과학 기술은 인류를 풍요롭게 만들어주었지만, 그와 동시에 다양한 잠재적 위험을 유발하고 있다. 원자력 발전소 사고, GMO 논란, 가습기 살균제 사태 등 과학 관련 사회 문제 (SSI)들이 사회의 주요 문제로 두드러지면서 SSI에 대한 시민 참여의 필요성이 증대되고 있다. 과학 기술에 시민을 참여시키기 위한 노력은 다양하게 시도되고 있다. 최근 우리나라에서도 2017년 신고리 원전 5, 6호기 건설 재개 문제와 관련하여 숙의 과정이 시도된 바가 있다. 하지만 시민이 SSI 관련 의사 결정에 참여할 만한 충분한 전문성을 가지고 있지 못하다는 비판이 제기되고 있으며, 시민 참여 제도가 정부 기관이나 과학자 협회와 같은 전문가 집단에 의해 주도됨으로써 시민의 관심사가 반영되기 어렵다고 지적되고 있다. 따라서 과학 교육은 학생에게 SSI 의사 결정에 더욱 전문적으로 참여할 수 있는 능력을 가르쳐야 하며, 자신의 관심 주제와 관련하여 주도적으로 문제를 파악하고, 해결 방안을 제시하고, 문제를 직접 해결하기 위해 실천할 수 있는 능력을 길러줘야 한다. 측정 장치는 과학이라는 세상을 바라보는 눈이기 때문에 전문적인 과학 활동을 수행하는 데 전문적인 측정 장비를 갖추는 일은 중요하다. 일반 시민이 관심 있는 SSI 문제에 관해 과학 탐구를 수행하려 해도, 전문적인 측정 장치가 없다면 이를 수행하는 것이 불가능하다. 하지만 최근 아두이노의 등장으로 아마추어도 전문적인 측정 장치를 직접 제작하는 것이 가능해졌다. 아두이노에 자신이 관심 있는 대상을 측정할 수 있는 센서를 장착하고 간단한 프로그래밍을 통해 소프트웨어를 아두이노에 업로드함으로써, 측정 장치를 비교적 저렴한 비용에 확보할 수 있게 되었다. 이 연구에서는 학생들이 시민으로서 SSI에 참여하는 데 필요한 능력을 계발할 수 있도록 피지컬 컴퓨팅 및 사물 인터넷 기술 기반의 DIY 측정 장치 (Do It Yourself Measurement Device using Physical Computing and Internet of Things, DIY-MD)를 활용한 실천지향 과학 교육 수업을 개발하고 이에 대한 적용 가능성을 확인하였다. DIY-MD를 이용한 수업이 이루어지기 위해서는, 어떠한 기술을 이용하여 DIY-MD를 구현하는 것이 학교 환경에 적합한지에 대한 기술 검토 연구가 선행되어야 하며, 현장 교사들이 DIY-MD를 수업에 통합하는 과정에서 현장 교사가 겪은 기술 관련 어려움에 관한 연구가 이루어져야 한다. 따라서 이 연구는 크게 세 연구로 이루어져 있다. 먼저, 3장에서는 DIY-MD를 구현하기 위해 여러 기술을 비교·분석하고 적합한 기술 구성 예시를 제공하였다. 피지컬 컴퓨팅과 사물 인터넷을 이용해서 과학 측정 장치를 제작하기 위해서는 적절한 개발 보드, IoT 플랫폼, 통신 모듈 등이 선택되고 조합되어야 한다. 독립성, 저비용, 친숙함, 이동성, 기술 생태계라는 5가지 측면에서 각 기술을 평가하여 장·단점을 분석하였고, 이를 바탕으로 학교 교육 현장 맥락에 적절하게 구성된 예시 사례로, 아두이노, ThingsBoard, Wi-Fi를 이용하여 만들어진 미세먼지, 이산화 탄소 측정 장치를 제시하였다. 이 연구의 결과는 기술에 익숙하지 않은 과학 교사들이 DIY-MD를 자신의 수업에 도입하는 데 있어 기술 선택으로 인한 시행착오를 줄여줄 것이다. 두 번째로, 4장에서는 3장의 연구 결과를 바탕으로 서로 다른 세 현장에 DIY-MD를 적용하는 과정에서 나타난 기술 관련 어려움을 살펴보았다. 첫 번째 연구를 통해 제시된 기술에 대한 분석과 적절한 기술 구성의 예시는 현장 교사들에게 있어 기술 선택으로 인한 어려움을 줄여주었지만, 그래도 여전히 교사들은 DIY-MD를 이용하는 데 있어 많은 기술 관련 어려움을 호소하였다. 연구자는 이러한 어려움을 해결하기 위해, 먼저 어떠한 요인들이 교사의 DIY-MD 사용을 어렵게 하는지 파악하는 연구를 수행했다. 과학고 부설 영재센터, 학교 자율 동아리, 커뮤니티 센터에서 DIY-MD를 도입하고자 하는 3명의 교사를 대상으로 DIY-MD와 관련된 기술 지원을 제공하였고, 이들이 DIY-MD를 수업에 이용하는 과정에서 나타난 어려움에 대해 인터뷰하였다. 각 교사의 인터뷰 내용은 3명의 과학 교육 연구자에 의해 범주화되었고, 총 4가지 유형의 어려움을 발견할 수 있었다. 현장 교사들이 겪는 주요한 어려움으로는 (1) 적합한 기술 선정 문제, (2) 인터넷으로 수집한 자료의 신뢰성 문제, (3) 많은 변수가 개입되는 기술 문제의 복잡성, (4) 법과 제도의 문제 등이 있었다. 이 어려움은 연구자의 기술 지원이 있었음에도 나타난 어려움이었고, 교사가 홀로 해결하기 어려운 성격을 띠고 있었다. 따라서 연구자는 대안적인 기술 지원 방식이 필요하다고 판단하여, ICT 분야에서 기술 지원이 어떻게 이루어지고 있는지 살펴보았고, 과학 교사의 DIY-MD 활용에 초점이 맞춰진 군집 모델 (swarming model) 형태의 기술 지원 구축이 필요하다고 제안하였다. 마지막으로, 5장에서는 DIY-MD가 활용된 실천지향 과학 교육 수업에서 학생들의 환경과학행위성 (ESA)의 양상과 변화를 연구하였다. 이 수업은 두 가지 특징을 가지고 있다. 첫 번째는, 과학 탐구 과정에서 DIY-MD를 이용한다는 점이다. DIY-MD는 학생들이 과학 탐구를 수행하는 데 필요한 데이터를 확보하는 데 도움을 준다. 두 번째는, 사회적 실천 (social action)을 지향하는 과학 수업이라는 점이다. 학생들은 수업을 통해 단순히 내용 지식 (content knowledge)과 실천 지식 (practical knowledge)을 함양하는 것에 그치는 것이 아니라, 이를 바탕으로 한 사회적 실천에 나서게 된다. 이를 통해 학생들은 앎에서 그치는 것이 아니라 사회의 긍정적 변화를 이끌어낼 수 있는 실천 역량 (action competence)을 계발하게 된다. 연구자는 8주 (24차시) 분량의 DIY-MD 활용 실천지향 과학 교육 프로그램을 개발하였고, 이를 대학생을 대상으로 적용하였다. 이 프로그램은 4주 (12차시) 분량의 DIY-MD 활용법에 관한 수업과 4주 (12차시) 분량의 사회적 실천을 위한 프로젝트 수업으로 구성된다. DIY-MD를 활용한 실천지향 과학 교육 프로그램이 학생의 ESA에 어떠한 영향을 주었는지 확인하기 위해, 학생들의 배경에 대한 사전 인터뷰, 수업 중 진행된 학생의 프로젝트 활동에 대한 사후 인터뷰, 수업 기간 기록된 교수자의 연구 일지가 수집되었고, 2명의 과학 교육 연구자가 이를 분석하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 프로젝트 초기에는 대중적인 지식수준으로 시작했으나, 프로젝트 활동을 진행하면서 필요에 따라 점차 전문 지식을 탐색해 나갔다. 둘째, 당사자성이 결여된 주제를 선택하더라도 프로젝트 과정에서 당사자성이 확보될 수 있었다. 셋째, 유의미한 자신만의 데이터를 확보함으로써 자신을 환경 문제의 행위자로 인식해 나갔다. 넷째, 학생들은 DIY-MD를 이용하여 과학 관련 사회 문제에 참여할 수 있는 능력을 갖추게 되었다. DIY-MD는 시민들이 자신만의 측정 장치로 과학적 증거를 수집하고 이를 기반으로 자신의 주장을 형성함으로써, 보다 전문적으로 SSI에 참여할 수 있도록 만들어준다. DIY-MD를 이용한 실천지향 과학 교육을 통해 학생들이 자신의 삶 속에서 한 명의 시민으로서 자신의 안전과 공동체의 안녕을 위해 SSI에 참여할 수 있는 능력을 기르게 된다. The development of science and technology makes it possible for humans to understand natural science deeply and escape poverty and diseases. However, it has been causing various potential risks. As the Socio-Scientific Issues (SSIs) such as nuclear power plant accidents, GMO controversy, and humidifier disinfectant scandals happened in our daily lives, the urge for citizen participation in SSI is increasing. Several methods to encourage citizens to engage in science and technology are being discussed. Recently, a deliberation process has been attempted in Korea to determine whether to build Shin Kori (신고리) Nuclear Power Plants No. 5 and No. 6 in 2017. However, there is criticism that citizens do not have enough expertise to participate in SSI-related decisions. The research topic or agenda was usually set by experts from government and scientific organizations without reflecting citizens' interests. Therefore, science education should teach students to participate more professionally in SSI decision-making and develop the ability to identify problems, propose solutions, and take actions to solve the problems. Because measuring devices are the lens of the world, it is important to have professional measurement devices to perform professional scientific activities. Even if citizens want to conduct scientific inquiries into their interest SSIs, it is impossible to do so without professional measurement devices. With the advent of Arduino, it has become possible for amateurs to develop professional measurement devices by themselves. By connecting sensors capable of measuring the interest target in Arduino and uploading the software to Arduino through simple programming, the measurement device can be obtained at a relatively low cost. This study developed an action-oriented science education program using Do It Yourself Measurement Device using Physical Computing and the Internet of Things (DIY-MD). It confirmed the applicability of the DIY-MD to develop students' skills to participate in SSI as informed citizens. For the use of DIY-MD in the school classroom, the researcher conducted a technical review of what kind of technologies are more suitable for DIY-MD in a school environment. Afterward, the researcher studied the technical difficulties experienced by the teachers who tried to integrate DIY-MD into the class to minimize the barriers. This study is composed of three sub-studies. First, in Chapter 3, the researcher compared and analyzed the pros and cons of various technologies, such as development boards, IoT platforms, and communication modules, composing DIY-MD and provided appropriate examples of technology composition based on five criteria: independence, low cost, familiarity, mobility, and technology ecosystem. As an example of DIY-MD, the device for measuring the concentration of fine dust and carbon dioxide was presented using Arduino, ThingsBoard, and Wi-Fi modules. The results of this study will reduce teachers' trial and error of technology selection for implementing DIY-MD in their classrooms. Second, in Chapter 4, based on the results of Chapter 3, the researcher examined the technical difficulties proposed by the teachers who tried applying DIY-MD to their classrooms. In Chapter 3, the researcher presented the analysis of the technology and the example of proper technology configuration. However, the teachers still complained about the technical difficulties related to DIY-MD. The researcher conducted a study to identify the reasons why it was challenging to adapt DIY-MD to finding a solution. Three teachers at the gifted center affiliated to the science high school, school autonomous club activity (학생자율동아리), and local community center participated in the research. DIY-MD was adapted to the classroom by offering technical support from researchers. The researcher wrote a research note focusing on the technical support the researcher provided and the difficulties they appealed and interviewed about their experiences using DIY-MD in class. The interview with three science teachers was summarized and analyzed. Afterward, four major types of difficulties have been identified. The following are the major difficulties: (1) the problem of selecting appropriate technology, (2) the problem of reliability of the information on the Internet, (3) the complexity of technical problems involving many variables, and (4) the problems of laws and institutions. Although the researcher provided technical support to the teachers, these difficulties were still arising and cannot be solved easily. The researcher found that he should provide other forms of technical support to teachers and proposed swarming model-based technical support focused on DIY-MD through reviewing how technical support is being carried out in the ICT field. Finally, in Chapter 5, the researcher studied the aspect and change of students' environmental science agency (ESA) in an action-oriented science education program which was adapted from DIY-MD. This program has two characteristics: (1) it uses DIY-MD in the process of scientific inquiry. DIY-MD helps students obtain the data they need to carry out scientific inquiries; (2) this program includes the step of social action. Students are not only cultivating content knowledge and practical knowledge through class but also developing skills of social action based on them. Through this, students develop action competence that can lead to positive societal changes. The researcher developed an action-oriented science education program using DIY-MD for eight weeks (24 sessions) and applied it to undergraduate students. The program consists of four weeks (12 sessions) of learning DIY-MD utilization and four weeks (12 sessions) of the student-led project for social action. The researcher investigated students' agency in the class using the ESA lens through the preliminary interview on the students' background, the post-interview on the project activities of the students in the class, the researcher's field notes. For the credibility of the results, two researchers analyzed the data and compared them. As a result, the researcher led to four conclusions: first, students started with a laymen's level of knowledge at the beginning of the project, but as the project progressed, they explored the expertise as needed. Second, even if students select the topic, the students might lack a sense of belonging and are unable to relate to environmental concerns. Third, by grasping meaningful data, students recognized themselves as actors of environmental problems. Fourth, students have the skills to participate in SSIs using DIY-MD. DIY-MD allows citizens to participate in SSI more professionally by collecting scientific evidence with their measuring device and forming their claims based on it. Through the action-oriented science education using DIY-MD, students develop competence to participate in SSIs for their safety and community well-being as a citizen in their lives.

고등학교 양자역학 내용 체계에 대한 기초 탐구 : 『The Evolution of Physics (1938)』와 『Harvard Project Physics (1970)』를 중심으로

이광표 서울대학교 대학원 2024 국내석사

고등학교 물리 교과에서 양자역학은 학생들이 배우는 현대물리학의 대표적인 이론 중 하나로서, 현대 과학기술 문명을 이끌고 있는 핵심적인 물리학을 배울 수 있는 기회를 제공한다. 그러나 학교 현장에서는 양자 역학을 가르치는 데 있어서 여러 가지 어려움이 발생하고 있다. 예를 들어, 양자역학의 내용 체계가 미흡하여 지식이 단편적으로 나열되어 있고, 이로 인해 학생들이 피상적인 암기를 할 가능성이 있다는 우려가 꾸준히 제기되고 있다. 2022 개정 교육과정에서는 이와 같은 문제를 인식하고 극복하고자 하는 새로운 시도가 엿보인다. 구체적으로, 내용 체계가 스토리라인 및 본질과 얼개를 기반으로 하여, 지식·이해, 과정·기능, 가치·태도의 세 가지 차원으로 구성될 것을 강조하고 있다. 그리고 더 나아가, 세 가지 차원의 내용 요소를 상호보완적으로 함양함으로써 핵심 아이디어에 도달할 것을 강조하고 있다. 이러한 교육과정의 새로운 방향에 따라 마련된 교과 내용을 통해 삼차원 내용 요소를 통합적으로 함양한 모습은, 이해중심 교육과정에서 지향하는 ‘진정한 이해’의 모습이자, 우리 교육의 오랜 지향이라고 할 수 있는 전인적 성장을 이룬 모습으로서, 기존 내용 체계의 문제로 인한 파편화되고 피상적인 학습의 문제를 극복한 모습으로 볼 수 있을 것이다. 이렇듯 삼차원 내용 요소가 균형 있게 담긴 과학 교과 내용 체계가 절실하나, 2022 개정 과학과 교육과정 문서에서 과학의 스토리라인 및 본질과 얼개에 대한 구체적인 설명이나 관련된 예시를 찾기는 어렵다. 이에 본 연구는 과학의 스토리라인과 얼개의 구체적인 모습을 찾고자 과학의 실천전통에 주목하게 되었다. 왜냐하면 과학의 실천전통은 과학의 역사적 흐름과 탐구맥락으로서, 스토리라인에 해당하는 흐름과 얼개에 해당하는 구조를 지니고 있기 때문이다. 특히, 본 연구에서는 최근 연구를 통해 과학의 실천전통을 담고 있는 것으로 평가받고 있는 과학 고전 『The Evolution of Physics (1938)』 (이하, EoP)와 물리학의 실천전통을 잘 담고 있을 것으로 기대되는 국내외 물리교육계에서의 대표적인 물리 교재 『Harvard Project Physics (1970)』(이하, HPP)를 선택하였다. 그리고 두 교재에 담긴 양자역학의 실천전통을 탐구함으로써, 고등학교 양자역학 내용 체계에 관한 구체적인 함의를 찾는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 이를 위하여 먼저, EoP와 HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 특징을 파악하고자 하였다. 그 다음으로, EoP와 HPP를 읽은 학생이 형성하게 될 이해의 측면을 분석하고자 하였다. EoP 분석 결과, 첫째, EoP에 담긴 양자역학 내용 체계는 빛과 물질을 대등하게 다루는 가운데 역학적 관점에서 양자역학적 관점으로의 변화를 중심으로 하는 ‘거대한’ 흐름이 형성되어 있었다. 즉, EoP에는 새로운 현상을 발견하고 이를 이해해 나가는 양자역학의 태동기를 지나며 나타난 기존의 관점과 새로운 관점 간의 충돌과 잇따르는 패러다임의 변화를 중심으로 양자역학의 내용 요소들을 유기적으로 연결하고 있는 거대 서사가 담겨있었다. 한편, EoP에 담긴 양자역학 내용 체계는 역학적 관점과 양자역학적 관점이 명확하게 핵으로 드러나는 ‘체계적인’ 구조가 형성되어 있었다. 즉, 대비되는 두 물리학적 관점을 중심으로 양자역학의 내용 요소들이 총체적으로 연결되어 있었다. 흐름과 구조를 종합적으로 고려하면, EoP에 담긴 양자역학 내용 체계는 역학적 관점과의 상호작용 속에서 역동적으로 형성되어온 양자역학의 실천전통 자체를 보여주었다. 둘째, EoP는 학생이 양자역학에 대한 ‘진정한 이해’를 형성할 수 있도록 서술되어 있었다. 즉, EoP는 본문 전반에 걸쳐 학생이 양자역학적 관점 을 통해 관련 현상을 설명, 해석, 또는 적용할 뿐만 아니라 양자역학 관련 내용에 공감, 또는 자기지식 형성을 균형 있고 충분히 할 수 있도록 서술되어 있었다. 이러한 이해의 과정은 2022 개정 교육과정에서 강조하는 학생의 전인적 성장을 이룰 수 있을 것으로 보았다. HPP 분석 결과, 첫째, HPP에 담긴 양자역학 내용 체계는 물질에 초점을 두어 원자의 내부 구조, 또는 원자 모형을 중심으로 하는 흐름이 형성되어 있었다. 즉, HPP는 원자와 관련된 물리학의 역사적 배경을 중심으로 양자역학의 다양한 내용 요소들을 유기적으로 연결하여 서술하고 있었다. 이러한 흐름에는 역학적 관점에서 양자역학적 관점으로의 변화가 포함되어 있었으나, 관점의 변화를 중심으로 흐름이 형성되어 있지는 않았다. 한편, HPP에 담긴 양자역학 내용 체계는 역학적 관점과 양자역학적 관점을 핵으로 하는 구조가 형성되어 있었다. 그러나 역학적 관점이 뚜렷이 제시되지 않아 양자역학적 관점만을 중심으로 양자역학의 여러 내용 요소들이 연결되어 있었다. 흐름과 구조를 종합적으로 고려하면, HPP에 담긴 양자역학 내용 체계는 한 가지 패러다임(양자역학적 관점) 하에서 양자역학 실천전통의 다소 단선적인 형성 과정을 보여주었다. 둘째, HPP는 학생이 양자역학에 대하여 ‘진정한 이해’를 형성하는데 도움을 줄 수 있도록 서술되어 있었다. 즉, 본문의 전반부에서는 양자역학적 관점을 통해서 자연현상을 설명, 또는 적용할 수 있도록 하였고, 본문의 후반부에서는 양자역학적 관점을 바탕으로 관련 내용에 공감하고 자기지 식을 형성할 수 있도록 서술되어 있었다. 그럼으로써 학생의 전인적 성장에 도움을 줄 수 있을 것으로 보았다. EoP와 HPP 비교 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, EoP는 양자역학 내용 체계의 ‘거대한’ 흐름과 ‘체계적인’ 구조를 바탕으로 양자역학의 큰 그림(숲과 나무)을 보여주었다. 한편, HPP는 물리학의 역사를 풍부하게 포함한 흐름과 하나의 관점을 중심으로 한 다소 단일한 구조를 보여주었다. 요컨대, EoP는 HPP보다 양자역학의 실천전통을 잘 담고 있었다. 둘째, 두 교재는 모두 학생이 양자역학에 대한 피상적인 이해를 넘어 ‘진정한 이해’에 도달하는데 도움을 줄 수 있도록 서술되어 있었다. 그러나 ‘진정한 이해’로 안내하는 구체적인 서술 방식에 있어서는 차이를 보였다. 즉, EoP는 양자역학 서사 구조의 매 단계 마다 이해의 여러 측면이 균형 있게 그리고 충분히 형성될 수 있도록 서술되어 있었다. 반면에, HPP는 본문의 후반부에 이르러서야 양자역학적 관점을 바탕으로 관련 내용에 대한 공감하고 자기지식을 형성할 수 있도록 서술되어 있었다. 이상의 연구 결과를 종합하면, 두 교재는 모두 과학의 실천전통을 담고자 하였고, 학생이 ‘진정한 이해’에 도달하는데 도움을 주는 방향으로 서술되어 있었음에도 두 교재의 차이점이 존재하였다. 이로부터 과학의 실천전통을 잘 담은 교재일수록, 학생이 더 나은 이해(‘진정한 이해’)를 형성하는데 도움을 줄 수 있다는 가능성을 볼 수 있다. 한편, 본 연구의 결과는 향후 고등학교 양자역학의 내용 체계를 새롭게 정립해 나가는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 예를 들어, 고등학교 양자역학 내용 체계라는 그림에 완성을 기하는 하나의 시도로서, EoP가 보여주는 큰 그림(숲과 나무) 위에 HPP의 세밀하고 다양한 내용 요소를 채우는 방안을 생각해볼 수 있을 것이다. 이는 열린 시도이기에, 새롭게 발견된 우수한 과학 고전이나 최신 교재 내용의 뛰어난 장점들은 새로운 양자역학 내용 체계의 중요한 구성요소로 적극적으로 고려하면서 양자역학 교육의 문제 해결에 도움을 줄 수 있을 것이다. 주요어 : 2022 개정 교육과정, 과학의 실천전통, 과학 고전, The Evolution of Physics, Harvard Project Physics, 양자역학, 내용 체계, 진정한 이해 학 번 : 2022-29068 Quantum mechanics (from now on, QM), one of the critical theories of modern physics that students learn in high school physics, provides an opportunity to learn the essence of physics leading the modern scientific and technological civilization. However, there are a number of difficulties in teaching and learning QM in the school. For instance, there are persistent concerns that an insufficiently organized QM content system could fragment QM knowledge and cause students to memorize QM knowledge superficially. There are new attempts to recognize and overcome these problems in the 2022 revised curriculum. Specifically, it emphasizes that the content system consists of three-dimensional (knowledge·understanding, process·skill, and value·attitude) content elements based on the storyline, essence, and organization. Furthermore, it emphasizes reaching core ideas by cultivating content elements of the three dimensions complementarily. The integrated cultivation of three-dimensional content elements through subject content prepared by the new direction of the curriculum might be an ‘authentic understanding’ aimed at Understanding by Design (UbD) and holistic growth, which is the long-term goal of our education. The 2022 revised curriculum underscores the importance of a balanced inclusion of three-dimensional content elements in the physics subject matter. However, finding specific explanations or related examples of the curriculum document's storyline, essence, and organization takes time and effort. Therefore, this study focused on the practices in science to uncover the concrete appearance of the storyline and the organization of the physics subject matter, as the practices in science contained the flow corresponding to the storyline and the structure corresponding to the organization. In particular, this study selected the scientific classic 『The Evolution of Physics (1938)』 (from now on, EoP), which contains the practices in science according to recent research, and one of the representative physics textbooks 『Harvard Project Physics (1970)』 (from now on, HPP), which is expected to contain the practices in science considering the intention of writing HPP. The study aimed to find specific implications for the high school QM content system by exploring the practices in QM contained in EoP and HPP. In this context, we first tried to apprehend the characteristics of the QM content system contained in EoP and HPP. Second, we tried to analyze the facets of understanding that readers who read EoP and HPP will form. The results of the EoP analysis are as follows. First, the QM content system in EoP contained a ‘prominent’ flow centered on the change from a mechanical to a quantum mechanical view while treating light and matter equally. In other words, the EoP contained an enormous narrative that organically connects the content elements of QM, focusing on the conflict between existing and new perspectives and subsequent paradigm shifts in the early days of QM in discovering and understanding new phenomena. On the other hand, the QM content system in EoP contained a ‘systematic’ structure in which the mechanical and quantum mechanical views were nuclei. In other words, the content elements of QM were collectively connected around the two contrasting views in physics. Second, EoP was described so students could form an ‘authentic understanding’ of QM. For example, the EoP was described so that readers could not only explain, interpret, or apply related phenomena through a quantum mechanical view but also empathize with the contents of QM and form self-knowledge sufficiently. This process of forming ‘authentic understanding’ was expected to lead to integrated growth emphasized in the 2022 revised curriculum. The results of the HPP analysis are as follows. First, the QM content system in HPP contained a flow centered on the internal structure of atoms, or the atomic model, while focusing on matter rather than light. In other words, HPP connected and described organically various content elements of quantum mechanics, focusing on the historical background of physics related to atoms. However, this flow described a change from a mechanical to a quantum mechanical view, but the flow was not formed around the change in point of view. On the other hand, the QM content system in HPP contained a structure with a mechanical view and a quantum mechanical view as the core. However, the mechanical view was unremarkable, so various content elements of QM were connected around the quantum mechanical view. Second, HPP was described to help readers acquire an ‘authentic understanding’ of QM. For example, natural phenomena could be explained or applied through a quantum mechanical view in the first half of the text. In the second half of the text, based on a quantum mechanical view, it was possible to empathize with the relevant content and form self-knowledge. It will help the reader grow as a whole. The results of the comparative analysis between EoP and HPP are as follows. First, EoP showed a big picture of QM based on the ‘prominent’ flow and ‘systematic’ structure of the QM content system. On the other hand, HPP showed a relatively rich flow that included the history of physics but showed a single structure centered on a quantum mechanics view. In short, EoP contained better practices in QM than HPP. Second, both EoP and HPP were described to help readers acquire an ‘authentic understanding’ beyond a superficial understanding of quantum mechanics. However, there was a difference in the specific way of description that guided them to an ‘authentic understanding’. For example, EoP was described so that the facets of understanding could be balanced and sufficient at each stage of the narrative structure. On the other hand, HPP was described in the second half of the text so that they could empathize with the relevant content and form self-knowledge based on a quantum mechanics perspective. The difference between EoP and HPP was that they intended to contain the practices in QM and were described in a way that helped students acquire an ‘authentic understanding’. From this, the better the textbook that contains the practices in science, the better understanding (‘authentic understanding’) can be formed for the student. On the other hand, the results of this study would help establish a new content system for high school QM in the future. For example, the way of filling in the detailed and diverse content elements of HPP on the big picture (forest and trees) shown by EoP quantum mechanics could be an attempt to make a picture of the high school QM content system more complete. Moreover, since this attempt is open, the newly discovered excellent scientific classics and the outstanding advantages of the latest textbook content should always be considered an essential component of the new QM content system.

2015 개정 중학교 과학1 체험학습 프로그램 개발 : 국립과천과학관의 과학탐구관을 중심으로

백지윤 연세대학교 교육대학원 2024 국내석사

The 2015 Revised Science Curriculum, which is the current curriculum in Korea, focuses on enhancing students' scientific inquiry skills and emphasizes participatory learning where students discover and learn on their own. As part of the constructivist educational approach, experiential learning is introduced, allowing students to have diverse experiences through direct interaction with the environment. Particularly in science education, experiential learning using science museums is significant, as it provides opportunities for high-level science education with tangible objects or models that are difficult to encounter within the school's constraints. However, despite discussions on the importance of experiential learning and positive perceptions of using science museums in teaching, experiential activities are not actively conducted in schools due to the lack of teachers' assistance in pre-and post-programming, as well as insufficient materials and information. In this sense, the development of science museum experiential learning programs that are practically linked to school science curricula is crucial. In this study, we analyzed the frequency of science practices in textbook inquiry activities related to the 'Light and Waves' unit in the 2015 Revised Science Curriculum and the related exhibits in the Gwacheon National Science Museum. Based on this analysis, we developed and provided a science-practice-based experiential learning pre-and post-program. The selected 'Light and Waves' unit for first-year of middle school students often involves incomplete experiences through sensory organs before learning the unit. At this point, offering inquiry activities where students can experiment and experience directly is considered effective in inducing cognitive conflicts, which is effective in conceptual change. Therefore, selecting this unit for experiential learning operation is appropriate. In this context, the Gwacheon National Science Museum possesses numerous exhibits related to the 'Light and Waves' unit and supplementary materials available on its website, making it a valuable educational resource. The results of analysis revealed that the textbook inquiry activities included science practices 2 'Plan and conduct investigations' and science practices 3 'Analyzing and interpreting data' in all inquiry activities. However, there were no inquiries that included science practices 1 'Asking questions and defining problems' and science practices 8 'Obtaining, evaluating, and communicating information.' Similarly, the exhibits at the Gwacheon National Science Museum related to the 'Light and Waves' unit included science practices 2 'Plan and conduct investigations' in all programs but lacked exhibits that included science practices 1 'Asking questions and defining problems,' science practices 6 'Discussing based on evidence,' and science practices 8 'Obtaining, evaluating, and communicating information.' Therefore, in this study, in the three sessions of experiential learning, which are pre-experience, experience, and post-experience, we used activity sheets to emphasize science practices 1 'Asking questions and defining problems' and science practices 8 'Obtaining, evaluating, and communicating information,' which were not included in the analysis results, to complement them and allow students to experience a variety of science practices evenly. In the pre-experience session, before visiting the Gwacheon National Science Museum, students briefly learned about the scientific concepts of the unit in the classroom, designed their own inquiries, and created questions to induce motivation and supplement science practices 1. Additionally, we conducted an online pre-survey about the Gwacheon National Science Museum to enhance the effectiveness of experiential learning. In the experience session, we designed activities for students to actively participate by finding answers to their questions during the activity. Group activities were conducted to ensure that definitional aspects of education could also be achieved in experiential learning. After the activity, students freely shared and communicated what they had learned with the whole class, allowing them to experience science practices 8. Through these activities, we expect that science-practice-based experiential learning using the Gwacheon National Science Museum will be operated in-depth, leading to positive educational effects. 우리나라의 현행 교육과정인 2015 개정 과학과 교육과정은 학습자의 과학 탐구 역량 강화에 초점을 두고 있으며 학습자 스스로 발견하며 배우는 참여형 수업을 강조하고 있다. 학습자가 스스로 지식을 발견하며 배우는 구성주의적 교육 방법의 일환으로, 학생들이 환경과의 직접적인 상호작용을 통해 다양한 경험을 하는 체험학습이 있다. 특히 과학 교과에서 과학관을 활용한 체험 학습은 교실 환경의 제약을 벗어나 학교에서 접하기 어려운 실물이나 모형을 통해 다양하고 수준 높은 과학 교육이 이루어질 수 있다는 점에서 의미가 있다. 그러나 체험학습의 필요성에 대한 논의와 과학관 활용 수업에 대한 긍정적인 인식에도 불구하고, 학교 현장에 체험 활동이 이뤄지는 동안 교사의 도울 사전·사후 프로그램이나 자료, 정보의 부족으로 체험 학습이 활발히 이뤄지지 않고 있다. 이러한 의미에서 학교 과학 교육과정과 실질적으로 연계되는 과학관 체험학습 프로그램의 개발은 중요하다. 이에 본 연구에서는 2015 개정 과학과 교육과정 ‘빛과 파동’ 단원 내 교과서 탐구 활동과 이와 관련한 국립과천과학관 전시물에 포함된 과학 실천의 빈도수를 분석하여 과학관을 활용한 과학 실천 기반 체험학습 사전·사후 프로그램을 개발하여 제공하였다. 본 연구에서 선정한 중1 ‘빛과 파동’ 단원은 학생들이 해당 단원을 학습하기 전부터 감각 기관을 통해 겪은 불완전한 경험으로 인해 선개념을 가지고 있는 경우가 많은데, 이 때 학생들이 직접 실험해보고 경험해볼 수 있는 탐구 활동을 제공하여 학습자로 하여금 인지적 갈등 상황을 유발하는 것이 개념 변화에 효과적이라는 연구가 있다. 따라서 체험 학습 운영 단원으로 해당 단원을 선정하는 것이 적합하다고 판단하였다. 이러한 맥락에서 국립과천과학관은 빛과 파동 단원과 연계한 전시물을 다수 보유하고 있으며, 사이버 전시관 및 보조자료도 홈페이지에 탑재되어 있어 교육적 가치가 높을 것으로 사료되어 분석 대상으로 선정하였다. 분석 결과 교과서 탐구 활동에는 과학 실천 2 ‘조사 계획하고 수행하기’와 과학 실천 3 ‘자료 분석하고 해석하기’는 모든 탐구 활동에 포함되어 있었으나, 과학 실천 1 ‘질문하고 문제 규정하기’와 과학 실천 8 ‘정보를 얻고, 평가하고, 소통하기’가 포함된 탐구는 없었다. 또한 빛과 파동 단원과 관련성이 있는 국립과천과학관의 전시물에는 과학 실천 2 ‘조사 계획하고 수행하기’는 모두 포함되어 있으나 과학 실천 1 ‘질문하고 문제 규정하기’, 과학 실천 6 ‘증거에 기초하여 논의하기’, 과학 실천 8 ‘정보를 얻고, 평가하고, 소통하기’가 포함된 전시 프로그램은 없음을 확인할 수 있다. 이에 본 연구에서는 체험학습 전시, 본시, 종료의 총 3차시 수업에 모두 활동지를 활용하여 분석 결과 포함되지 않았던 과학 실천 1 ‘질문하고 문제 규정하기’와 과학 실천 8 ‘정보를 얻고, 평가하고, 소통하기’을 강조하여 이를 보완하고 학생들이 과학 실천을 고루 경험할 수 있도록 하였다. 체험학습 전 차시에서는 국립과천과학관의 전시물을 관람하기 전, 교실 환경에서 해당 단원의 과학적 개념에 대해 간략히 학습한 후 스스로 탐구를 설계하고 질문을 만드는 활동을 통해 동기 유발 및 과학 실천 1을 보완하였고, 관람지인 국립과천과학관에 대한 온라인 사전 답사를 통해 체험 학습의 효과를 높이고자 하였다. 또한 체험학습 본 차시에서는 활동 중에 스스로 질문에 대한 답을 찾아가며 능동적으로 활동에 참여할 수 있도록 하였고, 모둠별 운영을 통해 체험학습 시 얻을 수 있는 정의적 측면의 교육도 함께 이뤄질 수 있도록 하였다. 활동 종료 후, 학습한 내용에 대해 반 전체에서 자유롭게 공유하고 소통함으로써 과학 실천 8을 경험할 수 있도록 하였다. 이를 통해 국립과천과학관을 활용한 과학 실천 기반 체험학습 수업이 심도있게 운영되어 긍정적인 교육적 효과가 나타날 것으로 기대한다.

고등학교 물리학의 전자기파 내용 체계에 대한 기초 탐구 : 『The Evolution of Physics(1938)』와 『Harvard Project Physics(1970)』를 중심으로

김강래 서울대학교 대학원 2025 국내석사

This study addresses several concerns regarding the content structure of physics education. Previous research indicates that Korean science education lacks fundamental reflection on subject content (Lee et al., 2010), and physics teachers continue to struggle with rote learning due to insufficient concept hierarchy (Kang et al., 2015). Additionally, the lack of connectivity between content systems creates difficulties in textbook writing (Lee et al., 2019), and in electromagnetic wave units, content is often presented fragmentarily, making it difficult to establish organic connections between concepts (Lee, 2020; Kam, 2024). A potential solution to these structural issues can be found in the 2022 Revised National Curriculum. This curriculum emphasizes organizing physics content according to storylines (flow) and encourages students to reach core ideas that reveal the essence and framework (structure) of physics through the complementary development of three dimensions: knowledge/understanding, process/skills, and values/attitudes. While this direction shows promise in addressing current issues, the curriculum documents lack specific details about the flow and structure of physics. Recent studies (Shim et al., 2023, 2024; Lee et al., 2024) suggest that such flow and structure can be found within science's practice traditions. Science's practice tradition refers to science as human activity viewed from an 'essential-holistic' perspective. It encompasses scientific viewpoints on nature along with related core ideas, thinking methods, attitudes (values), and the organic, holistic relationships between these elements. Therefore, exploring science's practice tradition can lead to understanding the flow and structure of physics as presented in the 2022 Revised Curriculum. This study investigated science's practice tradition as one approach to concretizing the flow and structure of physics content. Specifically, we analyzed "The Evolution of Physics" (1938, EoP) and "Harvard Project Physics" (1970, HPP), both expected to embody science's practice tradition. We systematically analyzed the flow and structure of electromagnetic wave concepts in these texts to provide foundational material for establishing high school physics content systems. Additionally, considering that students can develop genuine understanding through science's practice tradition (Lee, Shim & Lee, 2024), we analyzed the understanding readers would achieve through these scientific classics. The results show distinct characteristics in both texts. EoP's content flow emphasizes paradigm shifts, highlighting the limitations of existing perspectives and the success of new ones, presenting historical flow in logical reconstruction. HPP focuses on narrative flow centered on historical events, emphasizing contemporary scientists' thoughts and ideas, featuring a natural storyline from theoretical predictions to experimental proof and practical applications. Regarding content structure, EoP demonstrates a systematic structure centered on contrasting viewpoints, while HPP shows a less distinct contrast between perspectives with somewhat weaker logical connections between elements. Understanding achieved through EoP encompasses five aspects of understanding (excluding 'application'), particularly emphasizing 'perspective' and 'self-knowledge.' HPP enables readers to reach all six aspects of understanding, with particular emphasis on 'explanation,' though somewhat lacking in meta-level 'self-knowledge.' These findings suggest that both texts reflect science's practice tradition and support students' development of 'genuine understanding,' albeit with distinct characteristics. These results can contribute to establishing new electromagnetic wave content systems in high school physics by combining EoP's macroscopic structure with HPP's detailed content elements. This open approach can incorporate elements from both new scientific classics and contemporary texts to address issues in electromagnetic wave content structure. 본 연구는 물리 교과 내용 체계와 관련된 다음과 같은 문제 인식을 배경으로 한다. 선행연구에 따르면, 우리나라 과학교육에서는 교과 내용에 대한 근본적인 고찰이 부족하며(이재봉 등, 2010), 개념 위계의 미흡으로 인해 물리 교사가 암기식 수업으로 어려움을 겪는 상황이 지속되고 있다(강현식 등, 2015). 또한, 내용 체계 간 연계성 부족이 교과서 집필의 어려움을 초래하며(이세연 등, 2019), 전자기파 단원에서는 교과서 내용이 단편적으로 나열되어 있어 개념 간의 유기적 연결을 구성하기 어려운 점이 보고되었다(이봉우, 2020; 감민주, 2024). 이상의 내용 체계의 문제를 해결할 수 있는 하나의 가능성은 2022 개정 교육과정에서 발견할 수 있다. 2022 개정 교육과정에서는 물리학 교과의 내용 체계를 스토리라인(흐름)에 따라 구성하고, 학생들이 각 내용 영역의 지식•이해, 과정•기능, 가치•태도의 세 가지 차원을 상호보완적으로 함양함으로써 물리학의 본질과 얼개(구조)를 드러내는 핵심 아이디어에 도달하는 것을 강조한다. 이러한 방향성은 현행 물리학 교육과정 내용 체계의 문제를 해결할 수 있는 하나의 가능성을 제시할 수 있다고 본다. 그러나 아쉽게도, 교육과정 문서에 물리학의 흐름과 구조에 대한 구체적인 내용은 제시되어 있지 않다. 한편, 최근 연구(심규철 등, 2023; 심규철 등, 2024; 이광표 등 2024)에 따르면, 이와 같은 물리학의 흐름과 구조는 과학의 실천전통 속에서 찾을 수 있다고 본다. 과학의 실천 전통이란 ‘본질적-총체적’ 관점에서 바라본 인간 활동으로서의 과학을 의미한다. 과학의 실천 전통에는 자연을 바라보는 과학의 관점과 함께 이와 연관된 핵심 아이디어, 사고방식, 태도(가치)와 이러한 요소들 간의 유기적이며 총체적인 관계가 포함된다. 따라서 과학의 실천 전통에 대한 탐구는 2022 개정 교육과정에서 제시한 물리학의 흐름과 구조를 파악하는 것으로 이어질 수 있다고 본다. 이에 본 연구에서는 물리학 내용의 흐름과 구조를 구체화할 수 있는 방안의 하나로 과학의 실천전통을 탐구하고자 하였다. 특히, 본 연구는 과학의 실천전통을 담고 있을 것으로 기대되는 과학 고전 『The Evolution of Physics(1938)』(EoP)와 물리학 교과서 『Harvard Project Physics(1970)』(HPP)를 분석 대상으로 선정하였다. 두 교재에 나타난 전자기파 개념의 흐름과 구조를 체계적으로 분석하여 고등학교 물리학의 내용 체계 수립에 도움을 줄 수 있는 기초 자료로 제시하였다. 또한 과학의 실천전통 속에서 학생들은 진정한 이해를 형성할 수 있다는 점(이경호, 심규철, 이광표, 2024)을 고려하여 교재를 읽은 독자가 도달하게 될 이해를 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다. EoP 전자기파 내용 체계의 흐름은 관점의 변화를 중심으로 한 거대한 흐름을 중심으로 기존 관점의 한계와 새로운 관점의 성공을 강조하였다. 또한 역사적 흐름을 그대로 따라가지 않고 논리적으로 재구성하여 제시하였다. HPP의 흐름은 역사적 사건을 중심의 흐름으로 당대 과학자들이 가졌던 생각과 아이디어를 강조하였다. 또한 이론적 예측에 이어 실험적 증명, 그리고 실생활 활용으로 이어지는 자연스러운 스토리라인이 특징적이었으며, 전자기 스펙트럼이 실생활에 활용되는 사례를 자세하게 설명하였다. 내용 체계의 구조는 다음과 같다. EoP는 대비되는 두 관점을 중심으로 한 체계적인 구조가 돋보인 반면, HPP는 두 관점의 대비가 뚜렷하지 않아 요소들 간의 논리적인 연결이 다소 떨어지는 구조를 보였다. EoP를 읽은 독자들이 도달하게 될 이해의 측면의 특징은 다음과 같다. ‘적용’을 제외한 나머지 5가지 측면의 이해에 골고루 도달할 수 있도록 서술되어 있었다. 특히, ‘관점’을 통해 현상을 바라보고 해석할 수 있도록 서술되어 있고, 서로 다른 관점을 가지고 현상을 바라봤을 때의 차이를 메타적으로 바라볼 수 있는 ‘자기지식’의 측면이 강조되었다. 반면, 실생활 활용 등에 대한 내용이 부족하여 ‘적용’의 이해에는 도달하기 어려웠다. HPP를 읽은 독자들이 도달하게 될 이해의 측면의 특징은 다음과 같다. 이해의 6가지 측면에 모두 잘 도달할 수 있도록 서술되어 있었지만, ‘설명’의 요소가 가장 두드러지게 나타났다. 또한 관점을 통해 현상을 바라보는 내용이 강조되지는 않다 보니, 특정 ‘관점’의 이해에는 도달할 수 있는 내용이 조금씩 있지만, 여러 관점을 통해 메타적으로 현상을 바라보는 ‘자기지식’의 이해의 측면에는 독자들이 도달하기에 다소 부족했다. 이상의 연구 결과를 종합하면, 두 교재 모두 과학의 실천 전통을 반영하고 있으며, 학생들이 '진정한 이해'에 도달하는 데 도움을 줄 수 있는 방향으로 서술되어 있다. 그러나 두 교재 간에는 차이점 또한 존재하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 두 교재의 장단점을 비교하고 보완되어야 할 부분을 잘 파악함으로써 향후 고등학교 전자기파 내용 체계를 새롭게 정립하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 예를 들어, EoP가 보여주는 거시적 구조 위에 HPP의 세밀하고 다양한 내용 요소를 결합하는 방안을 제안할 수 있다. 이러한 접근은 열린 시도이므로, 새로운 과학 고전이나 최신 교재의 우수한 요소들을 적극적으로 반영해 나가면서 전자기파 내용 체계의 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다.

고등학교 물리학의 광전효과 내용 체계에 대한 기초 탐구 : 『The Evolution of Physics』와 『Harvard Project Physics』 그리고 교과서를 중심으로

정경은 서울대학교 대학원 2024 국내석사

In modern physics, the photoelectric effect is an important phenomenon for understanding the nature of light, which is one of the foundations of quantum mechanics. It is significant in the history of science in that Einstein solved the problem by proposing the photon theory due to the results of the photoelectric effect experiment, which could not be explained from the perspective of the wave theory of light, which was widely accepted until the early 20th century. Furthermore, the photoelectric effect can be seen as playing a key role in allowing a deep understanding of the concept of light by accepting both perspectives and reaching a new principle, the duality of light. Meanwhile, difficulties have been reported in teaching the photoelectric effect in the field based on textbooks. As a specific example, there was a study that revealed insufficiencies in the structure of photoelectric effect content in high school physics textbooks because the physics content system presented in the curriculum was not specific. As a way to solve these teaching and learning difficulties, the 2022 revised science curriculum emphasized the need to build a content system for physics subjects that contains the storyline and the essence and framework of physics. In addition, it was emphasized that students should reach the core ideas of each area by cultivating the three-dimensional content elements contained therein in a balanced manner. This can be said that the 2022 revised curriculum provides opportunities for balanced teaching and learning, thereby achieving holistic growth through in-depth understanding of the subject. And many researchers expect that this direction of the 2022 revised curriculum can be well achieved through an understanding-centered curriculum (authentic understanding). Accordingly, in order to properly construct the content system of physics subjects, it is necessary to understand what the storyline (flow) and framework (structure) that make up the content system are. However, it is difficult to specifically identify the storyline and outline that constitute the content system of the physics curriculum through the revised 2022 science education curriculum. Therefore, in this study, in order to understand the storyline (flow) and framework (structure) that make up the content system of physics subjects, the practices in science, which contains the flow and structure of physics, was introduced. Accordingly, in this study, the classic science book *The Evolution of Physics* (1938) (hereinafter, EoP), which is considered to contain the practices in science well, and the American high school physics textbook *Harvard Project Physics* (1970) (hereinafter, HPP) were selected as research subjects and the content system of the photoelectric effect was analyzed. Next, we went through a process of in-depth analysis of the characteristics of the understanding that readers of EoP and HPP would form through experiencing the practices in science. For analysis, we referred to authentic understanding in science education (Lee et al., 2024), which proposed the authentic understanding (aspect of understanding) suggested by Wiggins & McTighe (2005) in a form that can be used in science subjects. In addition, we analyzed the 2015 revised physics textbook and compared it with the results above. The results of the analysis are as follows. The major features that emerge from the analysis of the flow of the photoelectric effect content system of EoP contained in the practices of science is that it shows a major flow centered on the change in perspective on light. In an effort to properly understand the photoelectric effect phenomenon, the limitations of the existing wave theory of light have been recognized, and the flow of EoP, which moves toward a new perspective, can be seen as providing an opportunity to experience practices in science that emphasizes the historical development process and context of exploration in physics. The main features that emerge from the analysis of the structure of the photoelectric effect content system of EoP contained in the practices of science is that it shows a structure in which the content elements are logically connected centered on two contrasting perspectives on light. In addition, after introducing a new perspective, it attempted to explain the double-slit experiment based on this and further suggested the duality of light, showing a more systematic structure than HPP. The keywords of the EoP’s photoelectric effect content system were analyzed into five (photoelectric effect, light wave theory, photon theory, double slit experiment, and duality of light). The following are characteristics of the aspects of understanding that can be formed as EoP readers experience the practices in science. We can see that phenomena and experiments are explained through the perspective of light at every step of the text, and furthermore, sympathy, self-knowledge, etc. were described in a way that could be formed. The major features that emerge from the analysis of the flow of the photoelectric effect content system of HPP contained in the practices of science is that it shows the flow centered on the results of the photoelectric effect experiment. Unlike EoP, the photoelectric effect experiment results are presented all at once, and the conclusion is emphasized without sufficiently explaining why the photoelectric effect experiment results cannot be explained by wave theory. In addition, the narrative features an emphasis on the conclusion that the photon theory emerged without providing a sufficient explanation of the background to its emergence. Accordingly, it can be seen that the overall flow of HPP’s photoelectric effect content system emphasizes the flow of presenting the conclusion first. The major characteristic that emerges from the analysis of structure of the photoelectric effect content system of HPP contained in the practices of science is that it shows a structure in which content elements are connected centered on two contrasting perspectives on light. And three key words were selected for the HPP (photoelectric effect, wave theory of light, photon quantum theory). The following are characteristics of the aspects of understanding that can be formed as HPP readers experience the practices in science. In the first half of the detailed section, phenomena and experiments are explained or situations are explained through the perspective of light; In the second half of the detailed section, the text is written to empathize with the situation and form self-knowledge based on the perspective on light. As a result of analyzing the flow of content systems in the photoelectric effect area of three types of Physics I textbooks, the common feature is that the flow is rather than being visible, it shows a lack of connection between key content elements. Specifically, the wave theory of light itself was inadequately covered, and the reason why the wave theory of light cannot explain the results of the photoelectric effect experiment was not specifically explained. In addition, the logical connection between the core content elements mentioned above was analyzed to be somewhat insufficient, such as the introduction of the duality of light in a situation where the connection between the core content elements. The characteristic that appears as a result of analyzing the DC structure diagram of three textbooks is that the structure is formed in which the contrast of perspectives on light is not clear. Among the two perspectives on light, the ‘wave theory of light perspective’ is not clearly expressed as a perspective, and the logical connection between content elements is insufficient. In addition, four keywords (photoelectric effect, wave theory of light, photon quantum theory, and duality of light) were selected for the textbook. If we look at the characteristics that emerge as a result of analyzing the aspects of understanding that can be formed by students learning textbooks, we can see that the description was written to briefly explain related content overall. The results of the analysis comparing the flow of the photoelectric effect content system of EoP, HPP, and textbooks are as follows. First, the flow of EoP’s photoelectric effect content system showed a major trend centered on the change in perspective on light. Meanwhile, HPP showed a trend centered on the results of photoelectric effect experiments. In contrast, the three types of textbooks were found to have insufficient connections between core content elements rather than showing a flow. In addition, the textbook has a positive feature of including the ‘photoelectric effect application’ aspect by introducing the charge-coupled device (CCD) as an example of the photoelectric effect that is not shown in EoP and HPP. The results of the analysis comparing the structure of the photoelectric effect content system of EoP, HPP, and textbooks are as follows. First, the structure of EoP’s photoelectric effect content system centers on two contrasting perspectives on light, and after introducing a new perspective, it attempts to explain the double-slit experiment based on this and further suggests the duality of light. It can be seen that it has a more systematic structure than HPP. The structure of HPP’s photoelectric effect content system shows a structure in which content elements are connected around two contrasting perspectives on light. Meanwhile, among the two perspectives on light, the three types of textbooks did not clearly reveal the light wave theory perspective as a satisfactory perspective, forming a structure with insufficient logical connectivity between content elements. When comparing the keywords of EoP, HPP, and textbooks, the overlapping keywords are ‘photoelectric effect’, ‘wave theory of light’, and ‘photon quantum theory’, and they can be seen as essential content elements in forming the content system of the photoelectric effect. And in the case of ‘duality of light’, it was included as a keyword only in EoP and textbooks, and in HPP was not included. The keyword included only in EoP is ‘double slit experiment’, because the EoP text included an attempt to explain the double slit experiment based on a new perspective. The results of the analysis comparing the aspects of understanding expected to be formed by readers of EoP, HPP, and textbooks are as follows. First, EoP explains phenomena and experiments through the perspective of light, and furthermore, the text is written to build empathy and self-knowledge. On the other hand, HPP describes the phenomena and experiments or explains the situation through the perspective on light in the first half of the detailed section, and in the second half of the detailed section, the text is written to empathize with the situation and form self-knowledge based on the perspective on light. Meanwhile, the textbook’s overall narrative characteristics were revealed to briefly explain related content. Through the analysis results of this study, it can be seen that EoP and HPP have tried to contain the practices in science in common and contain descriptions that can help readers reach a authentic understanding of the photoelectric effect. On the other hand, it is difficult to say that the textbook contains practices in science well compared to EoP and HPP, so it seems difficult for students to form a true understanding of the photoelectric effect content through it. However, it is necessary to consider that textbooks have institutional limitations, and the latest scientific and technological contents of current textbooks need to be considered in the development of the textbook content system. Therefore, summarizing the research results, it seems that EoP, which contains the practices in science well, is described so that students can form a better understanding(authentic understanding) than other textbooks. This study appears to be able to help provide direction in appropriately constructing the photoelectric effect content system through the practices in science. keywords : Photoelectric Effect, Content system, Practices in Science, Authentic understanding, The Evolution of Physics, Harvard Project Physics, Textbooks, 2022 revised science curriculum student number : 2020-20264 현대물리학 내용에서 광전효과는 양자역학의 기초 중의 하나인 빛의 본질을 이해하기 위해 중요한 현상이다. 20세기 초반까지 널리 받아들여졌던 빛의 파동이론 관점으로는 설명할 수 없었던 광전효과 실험 결과로 인해 아인슈타인이 광양자설을 제안하게 됨으로써 문제를 해결했다는 점에서 과학사적으로 의미가 있다. 나아가 두 관점을 모두 받아들여 새로운 원리인 빛의 이중성에 도달하게 되기까지 빛에 대한 개념을 깊이 있게 이해할 수 있도록 하는데 광전효과는 핵심적인 역할을 한다고 볼 수 있다 . 한편 현장에서 교과서를 바탕으로 광전효과 내용을 교육함에 있어서 어려움이 보고되고 있다. 구체적인 예시로 교육과정 상에 제시된 물리 교과 내용 체계가 구체적이지 못하여 고등학교 물리학 교과서의 광전효과 내용 구성에 있어서 미흡한 측면이 드러났다는 연구 결과가 있다. 이러한 교수학습 어려움을 해결하기 위한 방안으로, 2022 개정 과학과 교육과정에서는 스토리라인과 물리학의 본질과 얼개가 담긴 물리 교과의 내용 체계를 구축해야 함을 강조하였다. 그리고 학생들이 그 속에 담겨 있는 세 가지 차원 내용요소를 균형 있게 함양함으로써 영역별 핵심 아이디어에 도달할 것을 강조하였다. 이는 2022 개정 교육과정이 균형 있는 교수학습의 기회를 제공함으로써 교과에 대한 심층적인 이해를 통해 전인적 성장을 이루는 것이라 할 수 있다. 그리고 많은 연구자들은 2022 개정 교육과정의 이러한 방향은 이해중심 교육과정(진정한 이해)을 통해 잘 이루어질 수 있을 것으로 기대 하고 있다. 이에 물리 교과의 내용 체계를 잘 구성하기 위해서는 내용 체계를 이루는 스토리라인(흐름)과 얼개(구조)가 무엇인지 파악해야 할 필요가 있다. 그러나 2022 개정 과학과 교육과정을 통해서는 물리 교과의 내용 체계를 이루는 스토리라인과 얼개가 구체적으로 무엇인지 파악하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 물리 교과의 내용 체계를 구성하는 스토리라인(흐름)과 얼개(구조)를 파악하기 위해, 물리학의 흐름과 구조를 담고 있는 과학의 실천전통을 도입하였다. 이에 본 연구에서는 물리학의 실천전통을 잘 담고 있을 것으로 평가되는 과학고전『The Evolution of Physics (1938)』 (이하, EoP)와 고등학교 물리학 교재 『Harvard Project Physics(1970)』(이하, HPP)를 연구 대상으로 선정하여 광전효과 내용 체계를 분석하였다. 다음으로는 EoP와 HPP의 독자들이 물리학의 실천전통을 경험함으로써 형성하게 될 이해의 특징을 심층적으로 분석하는 과정을 거쳤다. 분석을 위해 Wiggins & McTighe(2005)가 제시한 진정한 이해(이해의 측면)를 과학 교과에 활용할 수 있는 형태로 제안한 과학 교과에서의 진정한 이해(이경호 등, 2024)를 참고하여 분석하였다. 이와 더불어 2015 개정 물리학 I 교과서를 분석하고 위의 결과와 비교하고자 하였다. 분석 결과를 살펴보면 다음과 같다. 물리학의 실천전통에 담긴 EoP의 광전효과 내용 체계의 흐름을 분석한 결과 나타나는 큰 특징은 빛에 대한 관점의 변화를 중심으로 하는 큰 흐름을 보여준다는 것이다. 광전효과 현상을 제대로 이해하기 위한 노력 속에서 기존의 빛의 파동 이론 관점의 한계를 인식하게 되고 이에 따라 새로운 관점 즉, 광양자 이론 관점으로 나아가는 EoP의 흐름은 물리학의 역사적인 발전 과정과 탐구의 맥락을 강조하는 실천전통을 경험할 수 있는 기회를 제공하는 것이라 볼 수 있다. 물리학의 실천전통에 담긴 EoP의 광전효과 내용 체계의 구조을 분석한 결과 나타나는 큰 특징은 빛에 대하여 대비되는 두 관점을 중심으로 내용 요소들이 논리적으로 연결되는 구조를 보여준다는 것이다. 또한 새로운 관점 도입 이후에 이를 바탕으로 이중 슬릿 실험에 대한 설명을 시도하고 나아가 빛의 이중성을 시사하는 등 HPP에 비하여 좀 더 체계적인 구조를 나타냈다. EoP의 광전효과 관련 내용 체계의 주제어는 5개(광전효과, 빛의 파동이론, 광양자 이론, 이중 슬릿 실험, 빛의 이중성)로 분석되었다. EoP의 독자들이 물리학의 실천전통을 경험하게 됨으로써 형성될 수 있는 이해의 측면을 분석한 결과 나타나는 특징을 살펴보면, 본문의 매 단계마다 빛에 대한 관점을 통해 현상과 실험에 대해 설명하고, 나아가 공감하고, 자기지식 등이 형성될 수 있도록 서술되어 있었다. 물리학의 실천전통에 담긴 HPP의 광전효과 내용 체계의 흐름을 분석한 결과 나타나는 큰 특징은 광전효과 실험 결과를 중심으로 하는 흐름을 보여준다는 것이다. EoP와는 다르게 광전효과 실험 결과를 한꺼번에 제시하며, 파동이론으로 광전효과 실험결과를 설명할 수 없는 이유를 충분하게 설명하지 않고 결론을 강조하여 제시한다. 뿐만 아니라 광양자 이론이 등장하게 된 배경에 대한 설명이 충분하게 제시되지 못한 채로 광양자 이론이 등장했다는 결론을 강조하는 서술 상 특징을 보인다. 이에 따라 HPP의 광전효과 내용 체계의 흐름은 전반적으로 결론이 먼저 제시되는 흐름이 강조된다는 것을 알 수 있다. 물리학의 실천전통에 담긴 HPP의 광전효과 내용 체계의 구조를 분석한 결과 나타나는 큰 특징은 빛에 대하여 대비되는 두 관점을 중심으로 내용 요소들이 연결된 구조를 보여주고 있다는 것이다. 그리고 HPP의 광전효과 관련 내용 체계의 주제어(keyword)는 3개(광전효과, 빛의 파동이론, 광양자 이론)로 분석되었다. HPP의 독자들이 물리학의 실천전통을 경험하게 됨으로써 형성될 수 있는 이해의 측면을 분석한 결과 나타나는 특징을 살펴보면, 세부 절의 전반부에서는 빛에 대한 관점을 통해 현상과 실험에 대해 설명하거나 상황을 설명하고, 세부절의 후반부에서는 빛에 대한 관점을 바탕으로 상황에 공감하고 , 자기지식을 형성하도록 본문을 서술하였다. 물리학 I 교과서 3종의 광전효과 영역의 내용 체계의 흐름을 분석한 결과 공통적으로 나타나는 특징은 흐름이 보이기 보다는 핵심적인 내용 요소 간의 연결이 미흡한 모습을 보여준다는 것이다. 구체적으로 살펴보면 빛의 파동이론 관점 자체에 대해 미흡하게 다루어지고 있었으며, 빛의 파동설로는 광전효과 실험 결과를 설명할 수 없는 이유에 대해서 구체적으로 설명하고 있지 않았다. 또한 광양자 이론이 등장하게 된 배경에 대한 충분한 설명이 이루어지지 않고 바로 광양자 이론을 도입하며, 앞서 언급된 핵심적인 내용 요소들 사이의 연결성이 충분하지 않은 상태에서 결론적으로 빛의 이중성을 등장시키는 등 핵심적인 내용 요소들 사이의 논리적 연결성이 다소 미흡한 것으로 분석되었다. 교과서 3종의 DC구조도를 분석한 결과 나타나는 특징은 빛에 대한 관점의 대비가 뚜렷하지 않은 구조를 형성한다는 것이다. 빛에 대한 두 관점 중 ‘빛의 파동 이론 관점’이 관점으로서 만족할 만큼 뚜렷하게 드러나지 않으면서, 내용 요소들 사이의 논리적 연결성이 미흡한 구조를 형성한다는 것을 알 수 있다 . 그리고 교과서는 4개(광전효과, 빛의 파동이론, 광양자 이론, 빛의 이중성)의 주제어가 선정되었다. 학생들이 교과서를 학습함으로써 형성될 수 있는 이해의 측면을 분석한 결과 나타나는 특징을 살펴보면, 전반적으로 관련 내용을 간략하게 설명하도록 서술되었음을 알 수 있다. EoP와 HPP 그리고 교과서의 광전효과 내용 체계의 흐름을 비교한 분석 결과는 다음과 같다. 먼저 EoP의 광전효과 내용 체계의 흐름은 빛에 대한 관점의 변화를 중심으로 하는 큰 흐름 보여주고 있었다. 한편 HPP는 광전효과 실험 결과를 중심으로 하는 흐름이 나타났다. 이에 반해, 3종의 교과서는 흐름이 나타나기 보다는 핵심적인 내용 요소 간의 연결이 미흡한 것으로 드러났다. 그리고 교과서에서는 EoP, HPP에는 드러나지 않은 광전효과가 나타나는 예로 전하 결합 소자(CCD)를 소개하여 ‘광전 효과 응용’측면을 포함했다는 긍정적인 특징을 지닌다. EoP와 HPP 그리고 교과서의 광전효과 내용 체계의 구조를 비교한 분석 결과는 다음과 같다. 먼저 EoP의 광전효과 내용 체계의 구조는 빛에 대하여 대비되는 빛에 대한 두 관점을 중심으로 하며, 새로운 관점을 도입한 이후에 이를 바탕으로 이중 슬릿 실험에 대한 설명을 시도하고 나아가 빛의 이중성을 시사하는 등 HPP에 비하여 좀 더 체계적인 구조를 나타낸다고 볼 수 있다. HPP의 광전효과 내용 체계의 구조는 빛에 대하여 대비되는 두 관점을 중심으로 내용 요소들이 연결된 구조를 보여준다. 한편 3종의 교과서는 빛에 대한 두 관점 중 빛의 파동 이론 관점이 관점으로서 만족할 만큼 뚜렷하게 드러나지 않으면서 내용 요소들 사이의 논리적 연결성도 미흡한 구조를 형성하였다. EoP와 HPP 그리고 교과서의 주제어를 비교하여 살펴보면, 서로 중복되는 주제어는 ‘광전효과’, ‘빛의 파동이론’, ‘광양자 이론’이며 광전효과 내용 체계를 구성함에 있어서 필수적인 내용 요소에 해당한다고 볼 수 있다. 그리고 ‘빛의 이중성’의 경우 EoP와 교과서에 주제어로 포함되었으며 HPP에서는 포함되지 않았다 . EoP에만 포함된 주제어로는 ‘이중 슬릿 실험’이 있는데, 이는 EoP 본문에 새로운 관점을 바탕으로 이중 슬릿 실험을 설명하려는 시도가 포함되었기 때문이다. EoP와 HPP 그리고 교과서의 독자가 형성할 것으로 기대되는 이해의 측면을 비교한 분석 결과는 다음과 같다. EoP는 매 단계마다 빛에 대한 관점을 통해 현상과 실험에 대해 설명하고, 나아가 공감하고, 자기지식 등이 골고루 형성하도록 본문을 서술하였다. 한편, HPP는 세부 절의 전반부에서는 빛에 대한 관점을 통해 현상과 실험에 대해 설명하거나 상황을 설명하고, 세부 절의 후반부에서는 빛에 대한 관점을 바탕으로 상황에 공감하고, 자기지식을 형성하도록 본문을 서술하였다. 이에 반해 교과서는 전반적으로 관련 내용을 간략하게 설명하도록 하는 서술 상 특징이 드러났다. 본 연구의 분석 결과를 통해, EoP와 HPP는 공통적으로 과학의 실천전통을 담고자 노력하였으며 독자들이 광전효과 내용에 대한 진정한 이해에 도달하는데 도움을 줄 수 있는 서술이 담겨있다는 것을 알 수 있다. 한편 교과서는 EoP와 HPP에 비해 실천전통을 잘 담고 있다고 보기 어려우므로, 학생들이 이를 통해 광전효과 내용에 대한 진정한 이해까지 형성하기는 힘들어 보인다. 다만 교과서는 제도적인 제약이 있다는 것을 고려할 필요가 있으며, 현행 교과서가 가지고 있는 최신 과학 기술 내용 등은 교과서 내용 체계의 개발에서 고려할 필요가 있다. 따라서 연구 결과를 종합하면, 과학의 실천전통을 잘 담고 있는 EoP의 경우 다른 교재들에 비해 학생들이 더 나은 이해(진정한 이해)를 형성할 수 있도록 서술된 것으로 보인다. 본 연구는 물리학의 실천전통을 통해 광전효과 내용 체계를 적절하게 구성함에 있어서 방향성을 제시해 주는데 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다. 주요어 : 광전효과, 내용 체계, 과학의 실천전통, 진정한 이해, The Evolution of Physics, Harvard Project Physics, 교과서, 2022 개정 과학과 교육과정 학 번 : 2020-20264

2015 개정 교육과정 중학교 1학년 과학교과서 '여러 가지 힘'단원에 대한 탐구 활동 분석 : 과학 탐구 기능과 과학적 실천을 중심으로

김지은 경북대학교 대학원 2019 국내석사

2015 개정 교육과정은 창의·융합형 인재를 양성하고자하며 학교 교육을 통한 탐구 역량을 강화하고자 한다. 탐구 역량 강화를 위해서는 탐구 활동에 대한 통합적 이해가 필요하다. 이 연구에서는 2015 개정 중학교 1학년 과학 교과서 5종의 여러 가지 힘 단원에 수록된 탐구 활동을 탐구 기능적 측면과 과학적 실천 측면에서 비교 분석하였다. 이를 위해 탐구 기능과 과학적 실천의 하위요소를 규명하여 분석틀을 만들었다. 그리고 분석틀에 근거하여 탐구 활동에서의 목표, 물음에 대한 답을 찾는 과정, 실험 과정 및 물음의 서술어를 기반으로 분석하였다. 분석 결과 첫째, 한 탐구 내에서도 여러 가지 탐구 기능과 과학적 실천이 사용되었다. 둘째, 같은 교과서 내에서도 활동에 따라 탐구 기능과 과학적 실천이 모두 달랐다. 셋째, 교과서마다 각 탐구 기능과 과학적 실천의 비율에 차이가 있으며, 교육과정에서 제시한 탐구 활동의 주제가 동일하더라도 교과서마다 다른 탐구 기능이나 과학적 실천이 사용됨을 알 수 있었다. 따라서, 이 연구의 분석 내용은 학생들에게 제시되는 학습 기회에 대한 정보를 제공하고 학생들에게 기대되는 과학적 탐구 능력을 함양할 수 있는가를 예상하는 데 의미가 있다. The 2015 revised national curriculum aims to cultivate creative and convergent talent and strengthen the inquiry capability through school education. An integrated understanding of the inquiry activities is necessary to strengthen the inquiry capability. In this study, the inquiry activities included in the ‘Various Forces’ unit of five 1st grade middle school science textbooks of the 2015 revised curriculum were compared and analyzed in terms of science process skills and scientific practices. For this purpose, we developed an analytical framework by identifying sub-elements of science process skills and scientific practices. Based on the analysis framework, we analyzed the goal, the process of finding the answer to the question, the experimental steps and the predicate in questions in the inquiry activity. The results of the analysis are as follows: 1) Various science process skills and scientific practices were used in one inquiry activity. 2) The science process skills and scientific practices used even in the same textbook were different depending on the inquiry activities. 3) There was a difference in the ratio of science process skills and scientific practices for each textbook. It was also found that different science process skills and scientific practices were used in each textbook, even if the subject of the inquiry activity was the same. Therefore, the results of this study are meaningful to provide information on the learning opportunities presented to the students and to anticipate whether they can develop the expected scientific inquiry abilities.

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.