고등학교 물리학의 광전효과 내용 체계에 대한 기초 탐구 : 『The Evolution of Physics』와 『Harvard Project Physics』 그리고 교과서를 중심으로 = A Basic Exploration of the Photoelectric Effect Content System of High School Physics : Focusing on 『The Evolution of Physics』 and 『Harvard Project Physics』 and Textbooks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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

국문 초록 (Abstract)

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

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구의 필요성 및 목적 1
• 제 2 절 연구 문제 4
• 제 2 장 이론적 배경 및 선행연구 6
• 제 1 절 과학의 실천전통 7
• 1. 과학의 실천전통의 정의 7
• 2. 과학의 실천전통의 흐름과 구조 8
• 3. 광전효과의 실천전통 9
• 제 2 절 이해중심 교육과정과 진정한 이해 11
• 1. 이해중심 교육과정 11
• 2. 진정한 이해의 정의 및 특징 12
• 3. 과학의 실천전통과 진정한 이해 13
• 제 3 절 광전효과 교육과 관련한 선행연구 14
• 제 3 장 연구 대상 및 연구 방법 18
• 제 1 절 연구 대상 18
• 1. 『The Evolution of Physics』(1938) 18
• 2. 『Harvard Project Physics』(1970) 20
• 3. 2015 개정 교육과정 물리학 I 교과서 22
• 제 2 절 연구 방법 24
• 1. 질적 내용 분석 방법 25
• 제 4 장 연구 결과 33
• 제 1 절 EoP 34
• 1. 물리학의 실천전통에 담긴 EoP의 광전효과 내용 체계 34
• 2. EoP 저자가 독자들이 물리학의 실천전통을 경험함으로써 형성할 것으로
• 기대하는 이해의 측면 45
• 제 2 절 HPP 59
• 1. 물리학의 실천전통에 담긴 HPP의 광전효과 내용 체계 59
• 2. HPP의 저자가 독자들이 물리학의 실천전통을 경험함으로써 형성할 것으로
• 기대하는 이해의 측면 67
• 제 3 절 교과서 85
• 1. 교과서의 광전효과 내용 체계 85
• 2. 교과서의 학생들이 형성할 것으로 기대하는 이해의 측면 97
• 제 4 절 EoP와 HPP 그리고 교과서의 광전효과 내용 체계와 그 속에서 형성할
• 것으로 기대하는 이해의 측면 비교 117
• 1. EoP와 HPP 그리고 교과서의 광전효과 내용 체계 비교 117
• 2. EoP와 HPP 그리고 교과서의 저자가 독자들이 형성할 것으로 기대하는
• 이해의 측면 비교 126
• 제 5 장 요약 및 논의 130
• 제 1 절 요약 130
• 제 2 절 결론 및 논의 133
• 참고문헌 136
• Abstract 141