고등학교 양자역학 내용 체계에 대한 기초 탐구 : 『The Evolution of Physics (1938)』와 『Harvard Project Physics (1970)』를 중심으로 = A Basic Study on the Establishment of the Quantum Mechanics Content System in High School : Focusing on 『The Evolution of Physics (1938)』 and 『Harvard Project Physics (1970)』

국문 초록 (Abstract)

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

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구의 필요성 1
• 제 2 절 연구 문제 6
• 제 3 절 용어의 정의 8
• 1. 실천전통 8
• 2. 과학의 실천전통 8
• 3. 과학의 실천전통의 흐름과 구조 9
• 4. 이해중심 교육과정 10
• 5. ‘진정한 이해’와 이해의 측면 10
• 제 2 장 이론적 배경 및 선행연구 12
• 제 1 절 과학의 실천전통 13
• 1. 실천전통 13
• 2. 과학의 실천전통 17
• 3. 과학의 실천전통의 흐름과 구조 20
• 3.1. 과학의 실천전통의 흐름 20
• 3.2. 과학의 실천전통의 구조 25
• 4. 양자역학의 실천전통과 과학 고전 30
• 제 2 절 이해중심 교육과정과 진정한 이해 33
• 1. 이해중심 교육과정 33
• 2. 교과가 추구하는 ‘진정한 이해’ 37
• 2.1. 과학 교과가 추구하는 ‘진정한 이해’ 38
• 제 3 절 국내외 양자역학 관련 선행연구 41
• 제 3 장 연구 대상 및 연구 방법 47
• 제 1 절 연구 대상 47
• 1. The Evolution of Physics (EoP) 47
• 2. Harvard Project Physics (HPP) 50
• 제 2 절 연구 방법 54
• 1. 흐름도 작성 규칙 63
• 2. 구조도 작성 규칙 65
• 3. 이해의 측면 분석 과정 68
• 제 4 장 연구 결과 75
• 제 1 절 The Evolution of Physics (EoP) 분석 결과 75
• 1. EoP에 담긴 양자역학 내용 체계의 특징 75
• 1.1. EoP에 담긴 양자역학 내용 체계의 흐름 75
• 1.2. EoP에 담긴 양자역학 내용 체계의 구조 81
• 1.2.1. EoP에 담긴 양자역학 내용 체계의 구조도 81
• 1.2.2. EoP에 담긴 양자역학 내용 체계의 주제어 84
• 2. EoP를 읽은 학생이 형성하게 될 이해의 측면 92
• 제 2 절 Harvard Project Physics (HPP) 분석 결과 115
• 1. HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 특징 115
• 1.1. HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 흐름 115
• 1.2. HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 구조 120
• 1.2.1. HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 구조도 120
• 1.2.2. HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 주제어 124
• 2. HPP를 읽은 학생이 형성하게 될 이해의 측면 137
• 제 3 절 The Evolution of Physics (EoP)와 Harvard Project Physics (HPP)의 비교 분석 결과 148
• 1. EoP와 HPP에 담긴 양자역학 내용 체계의 특징 비교 148
• 2. EoP와 HPP를 읽은 학생이 형성하게 될 이해의 측면 비교 154
• 제 5 장 요약 및 논의 157
• 제 1 절 요약 및 결론 157
• 제 2 절 논의 161
• 참고문헌 162
• Abstract 171