파동 전파속도에 관한 Peer Instruction에서 예비 물리교사의 정신모델 변화 = Mental Model Changes of Pre-service Physics Teachers in Peer Instruction about Propagation Velocity of Waves

국문 초록 (Abstract)

이 연구의 목적은 음파와 줄 파동에서 파동 전파속도에 관한 예비 물리교사의 전파속도에 관한 정신모델을 알아보고, Peer Instruction을 통해 파동 전파속도에 관한 예비 물리교사의 정신모델이 어떻게 변화되는지를 알아보는데 있다. 예비 물리교사 27명을 대상으로 이 연구에서는 심층 면담, 수업 과정 및 학생 토론 녹음, 주관식 개념 검사지와 선다형 개념 검사지를 사용하여 자료를 수집하였다.
연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
첫째, 소리와 줄 파동에서 전파속도에 관한 공통된 정신모델은 ‘실체 진행 방해 모델’, ‘실체 전달 모델’, ‘파동 모델’이었다. Peer Instruction을 하기 전에 대부분의 예비 물리교사들이 가지는 정신모델은 음파에서 ‘실체 전달 모델’이었고, 줄 파동에서 ‘줄 입자 운동 의존 모델’이었다. 이 연구에서는 소리를 ‘과정’으로 보지만, 소리 전파속도를 설명할 때는 소리를 ‘실체’로 본다는 사실을 발견하였다. 이 연구에서 예비 물리교사가 가지는 정신모델을 존재론적 범주와 관련지어 설명해보았다. 소리를 실체로 보는 예비 물리교사는 파동의 전파를 발생 과정(emergent process)으로 보지 않고 직접 과정(direct process)으로 본다는 것을 알 수 있었다.
둘째, Peer Instruction 수업 후 많은 예비 물리교사는 음파와 줄 파동에서 좀 더 과학적인 관점인 ‘파동 모델’을 공통적으로 가지게 되었다. 이 연구에서 Peer Instruction 과정을 여러 번 하면서 예비 물리교사의 정신모델이 서서히 변하는 것을 보여주었다. 처음 문항에서 파동 모델을 이해하지 못한 예비 물리교사가 동료의 설명으로 파동 모델을 인식하고, Peer Instruction이 진행되면서 다른 상황에서 파동모델을 적용해주는 것으로 나타났다. 또 교수의 설명적 모델을 들은 예비 물리교사가 교수의 설명을 다시 자신의 언어로 표현하면서 이해되어가는 현상도 보여주었다. 하지만 동료 토론으로 제기한 의문점을 해결하지 못한 예비 물리교사들이 교수의 피드백으로 적절한 해결책을 받지 못하면 나중에 원래 정신모델로 돌아갔다. 또한 동료 토론 후 많은 예비 물리교사들이 교수의 피드백으로 인하여 나중에 줄 파동에서 전파속도를 진동자 사이의 결합력으로 설명하던 원리를 음파에서도 같은 맥락으로 설명하였다. 따라서 예비 물리교사들은 동료 토론으로 새로운 정신모델을 잘 이해하고 자신의 머릿속에 잘 정착시키며 교수의 적절한 피드백은 정신모델 변화에 중요한 역할을 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this research was to examine mental model changes of pre-service teachers of physical science education on propagation velocity of sound wave and mechanical wave through peer instruction. 27 pre-service physics teachers participated in this study. The progress of research consists of in-depth interview, record of lesson and students’ discussion, and two types of test sheets made up of short-essay form and multiple-choice questions.
Implication of the research is as follows:
Above all, common mental model on propagation velocity of sound wave and mechanical wave was divided into entity progress obstruction model, entity transmission model, and wave model. Before peer instruction, most pre-service physics teachers’ mental model was the entity transmission model in sound wave and mechanical participle movement dependence model in mechanical wave. This study found that pre-service teachers of physical science education thought sound as a ‘process’ in explaining sound, but considered sound as ‘entity’ in explaining propagation velocity of sound. This thesis revealed why the mental model of pre-service teachers of physical science education presented with ontological categorize. The pre-service physics teachers who thought sound as entity regarded wave propagation not as an emergent process, but as a direct process.
Second, after peer Instruction, the pre-service physics teachers can have in common a more scientific view, ‘wave model’ in sound wave and mechanical wave. This research proved that pre-service physics teachers' mental models had been changed gradually through many chances of Peer Instruction. The pre-service physics teacher who did not understand wave model in first question could understand with their peer and through the progress of peer instruction, s/he showed application of wave model in other situations. Moreover, some pre-service physics teachers got help from a professor could express their mental model by their own languages. Meanwhile, other pre-service physics teachers who could not solve their questions with peer discussion and did not receive appropriate professor’s feedback, they looked back to former mental model. Furthermore, after peer instruction and professor’s feedback, various pre-service physics teachers regarded propagation velocity of sound wave as coupling force between vibrating neighbor particles, and that of in mechanical wave were in the same context. Therefore, pre-service physics teachers can develop and build the concept of new mental model with peer instruction, and professor’s appropriate feedback play an important role to change of mental model.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 문제 4
• 3. 연구의 제한점 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 소박한 개념 본성에 대한 논의 6
• 2. 개념변화 8
• 가. Thagard의 개념변화 8
• 나. Chi의 개념변화 9
• 다. Carey의 개념변화 13
• 라. Vosniadou의 개념변화 13
• 3. 정신모델 16
• 가. 정신모델의 정의 16
• 나. 설명적 모델을 통한 개념변화 17
• 4. 구성주의 18
• Ⅲ. 문헌 연구 21
• 1. 파동에 관한 정신모델 연구 21
• 가. 파동에 관한 개념 연구 21
• 나. 파동에 관한 정신모델 연구 24
• 2. Peer Instruction 33
• 가. Peer Instruction 구성 33
• 나. Peer Instruction 운영 36
• Ⅳ. 연구 방법 39
• 1. 연구 절차 39
• 가. 기초 연구 40
• 나. 본 연구 42
• 2. 연구 대상 50
• 3. 자료 수집 50
• 가. 객관식 파동 개념 검사지 51
• 나. 주관식 검사도구 51
• 다. 면담 53
• 4. 자료 처리 및 분석 54
• Ⅴ. 연구 결과 및 논의 58
• 1. 파동 전파속도에 관한 예비 물리교사의 정신모델 58
• 가. 음파 전파속도에 관한 예비 물리교사의 정신모델 58
• 나. 줄 파동에서 전파속도에 관한 예비 물리교사의 정신모델 68
• 2. Peer Instruction 과정에서 파동 전파속도에 관한 정신모델 변화 77
• 가. Peer Instruction 전․후 전파속도에 관한 정신모델 변화 77
• 나. Peer Instruction 수업에서 전파속도에 관한 정신모델 변화 101
• Ⅵ. 결론 및 제언 127
• 1. 결론 127
• 2. 제언 129
• 참 고 문 헌 130
• ABSTRACT 138
• 부 록 141