제7차 교육과정 물리I 교과서 역학실험의 효율적 수행 방안 연구 = (A) Study on Effective Performance of Experiments of Mechanics in the Physics I Textbook on the 7th Curriculum

국문 초록 (Abstract)

2004년이 되면 초·중·고 전 학년에 걸쳐 7차 교육과정이 실시되게 된다. 제7차 교육과정 과학교과의 특징은 심화. 보충내용을 포함한 수준별 수업을 도입하고 6차 교육과정에 비하여 상당한 양의 과학 교육 지식 내용을 줄인 반면 탐구 과정 및 활동을 강화한 것이다 특히 교과서는 실험위주로 집필된 것이 대부분이고 실험 위주의 탐구 수업이 강조되고 있다.
이 연구에서는 좀 더 효율적인 제7차 교육과정의 적용을 위하여, 교육과정을 수행하기 위한 지침서인 물리 19종 교과서의 역학부분에 한정하여 실험을 분석하여 좀 더 효율적인 실험 탐구 위주의 교육과정 수행방법을 찾고 이를 통하여 학교 현장에서 물리에 대한 보다 큰 흥미와 관심을 유지시켜 효과적인 물리수업에 도움을 주고자 하였다.
우선 교과서 분석에서는 학생들이 직접 수행하기에 적당한 실험과 교사나 다른 매체를 통한 간접실험으로 적당한 것을 분류하였다. 그리고 '학생 직접 수행 실험'으로 분류된 실험 (빗면에서의 수레의 운동, 힘·질량·가속도의 관계, 물체가 반발할 때 운동량 보존 법칙, 일과 운동에너지의 관계, 역학적 에너지 보존법칙)에 대해서 기존의 기자재와 실험방법으로 실험을 수행하여 문제점을 지적하였다.
이 과정에서 대부분 실험은 다음과 같은 공통적인 문제점이 지적되었다. 수레가 직선운동하지 않는다는 점, 속도를 일정하게 통제하기 어렵다는 점, 빗면조절이 용이하지 못하다는 점 등이 그 예이다. 또 다른 문제점 은 교과서 내에서 실험에 대한 설명이 상세하지 못하여 학생들이 의미를 잘 파악하지 못한 채 실험을 수행하여 학습효과가 없는 경우가 많다는 것이다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 첫째로 실험 기자재상의 문제를 해결하고자 하였다. 실험기자재 개선은 수레가 운동하는 면에 레일을 만들어 수레가 레일위로만 운동할 수 있게 보완하였고, 접이식 빗면 조절기를 면 끝에 부착하여 빗면의 각도를 자유롭게 조절하도록 제작하였다. 이 장치를 이용하여 빗면의 각도를 0도로 만들면 레일이 있는 면을 수평면으로도 사용할 수 있어서 운동량 보존 법칙이나 힘 질량 가속도 관계 실험에서도 효과적으로 이용할 수 있었다. 둘째로 기존의 교과서에서 제공한 실험과정의 모순점과 수정해야 할 점을 지적하고 기존 교과서의 실험방법 중 가장 효율적인 최선의 실험방법을 제안하였다. 셋째로 현장에서의 실험을 효과적으로 수행하기 위하여 행동 위주의 상세한 실험 매뉴얼을 제공하였다. 이렇게 보완된 실험장비와 수정된 실험방법으로 수행한 실험은 기존의 실험보다 오차가 상당히 줄었음을 확인할 수 있었다.
과학에서는 이론과 더불어 실험이 대단히 중요하다는 것은 반론의 여지가 없을 것이다. 그러나 실제 학교에서는 실험을 충분히 하지 못하고 있을 뿐만 아니라 열악한 기자재와 불충분한 설명으로 실험의 결과가 이론과 연계되지 못하여 실험의 교육적 효과도 신뢰하지 못하는 실정이다.
제7차 교육과정의 과학교육 목표에서 제시한 탐구능력 함양을 위한 효율적인 실험을 수행하기 위해서는 우선적으로 최대한 오차를 줄일 수 있는 기구를 사용해야 한다. 또 행동위주의 상세한 매뉴얼로 설명된 실험과정을 학생들에게 제공하여야 할 것이다. 현행 교과서에서와 같이 많은 실험을 학생들에게 제시하는 것으로는 교육의 효과를 높일 수 없을 것이다. 이론과 연계된 적절한 수준의 정밀한 실험이 제시되어 학생들이 흥미를 느끼며 수업에 임할 수 있는 조화된 교육이 필요할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In 2004, the 7th curriculum will bring thoroughly to effect in all grades of elementary, middle, and high schools. The characteristics of the 7th curriculum are as follows ; the level-based class including intensive and supplementary contents is introduced, a considerable quantity of science knowledge is reduced compared with the 6th curriculum, but inquiry activities are reinforced, Most of the physics textbooks are written based on the experimental procedures and inquiry activities.
In this work. we tried to find out how to teach the experiments of mechanics in Physics Ⅰ textbooks in 7th curriculum effectively. And also we tried to find the way to maintain student's interests in their physics class. For those purposes, we classified the experiments in two categories, experiments which students can make for themselves and the experiments which they can experience indirectly through teachers' examples and other media.
We analyzed the experiments of first category, the motion of cart on inclined plane (uniformly accelerated motion), the relationship between force, mass, and acceleration(the End Newton's law of motion), the law of conservation of momentum in case of restitution of objects, the relationship between work and kinetic energy, and the law of conservation of mechanical energy, by the established methods and equipments on the textbooks. During these procedures, we found many problems in equipments, experimental procedures, and etc. We summarized those problems as follows. 1. the cart didn't make rectilinear motion 2. It was hard to control velocity regularly. 3. It wasn't easy to adjust the height of inclined plane. 4. It is very difficult to understand the procedure and meaning of experiments because of poor manual. Those problems resulted in low learning effect for the student in physics class.
To settle these problems, we pointed out the contradictory aspects of experimental process in the existing textbooks and selected the most effective experimental method of all methods presented in the textbooks. Also we improved experimental equipments so that the cart can move only on the rail, not in the other directions, by fixing it on the plane on which the cart moves. And a height adjuster of inclined plane was attached at the end of plane in order to adjust the angle of inclined plane at will. The improved experimental equipment was also used effectively in the experiment on the law of conservation of momentum, and the relationship between force, mass, and acceleration, because it was possible to use the plane with rails as horizontal plane by making the angle of inclined plane 0 degree. Finally, we wrote new experimental manual which explained the process and activities of experiments in detail. Several suggested experiments carried out with improved equipment and modified experimental methods in new manual. The experimental results of newly designed experiments showed much fewer errors than the established experiments.
It goes without saying that the experiment is as important as theory in science. However, in the schools, we can't make enough experiments and don't believe in educational effect of the experiment. According to a questionnaire, the reason is that students don't understand the exact meaning of experiments and the result of experiments doesn't correspond with theory. If we expect experiments to be helpful for students' learning, we need to use experimental equipments which can reduce as many errors as possible. And we ought to be able to carry out experiments, consulting the activities-centered detailed manual.
We can not achieve the goal of education in physics effectively by offering too many experiments which conduct poor results. It is very important to offer good and interesting experiments with related proper theories to the students for maintaining the interests and motivations in the physics class.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = Ⅰ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 = 1
• 2. 연구의 개요 = 2
• Ⅱ. 제7차 교육과정의 과학 교과과정 내용 = 3
• 1. 성격 = 3
• 2. 목표 = 4
• 3. 특징 = 4
• Ⅲ. 제7차 교육과정 교과서 분석 = 6
• 1. 과학 교과서의 특징(10학년 대상) = 6
• 2. 교과서 역학 실험체계(7학년에서 12학년까지) = 7
• Ⅳ. 제7차 교육과정 물리Ⅰ교과서 역학 실험 분석 = 13
• 1. 물리 Ⅰ 교과서에서 제안한 역학실험의 구분 및 분석 = 13
• 2. 물리 Ⅰ교과서에서 제안한 학생실험의 실제와 문제점 지적 = 16
• 1) 빗면에서의 수레의 운동 = 16
• 2) 질량이 일정할 때 힘과 가속도의 관계 = 18
• 3) 힘이 일정할 때 질량과 가속도의 관계 = 22
• 4) 두 물체가 반발 할 때 운동량 보존 = 24
• 5) 일과 운동에너지 = 26
• 6) 역학적에너지 보존 = 29
• Ⅴ. 효율적 실험의 수행방안 = 35
• 1. 오차를 줄일 수 있는 역학 실험 기자재 제작 및 장점기술 = 35
• 2. 기존의 실험 중 가장 효과적인 방법 선택 = 36
• 3. 기자재와 실험방법을 보완한 실험의 실제 = 37
• 1) 빗면에서의 수레의 운동 = 37
• 2) 질량이 일정할 때 힘과 가속도의 관계 = 39
• 3) 힘이 일정할 때 질량과 가속도의 관계 = 41
• 4) 두 물체가 반발 할 때 운동량 보존 = 42
• 5) 일과 운동에너지 = 44
• 6) 역학적 에너지 보존 = 48
• 7) 롤러코스터를 이용한 역학적 에너지 보존 = 49
• 8) 보완실험에서 발생한 오차 원인 = 51
• 4. 학생실험에서 정확하고 상세한 실험 매뉴얼 제공 = 52
• 1) 빗면에서의 수레의 운동 = 53
• 2) 질량이 일정할 때 힘과 가속도의 관계 = 59
• 3) 힘이 일정할 때 질량과 가속도의 관계 = 65
• 4) 두 물체가 반발 할 때 운동량 보존 = 71
• 5) 일과 운동에너지 = 75
• 6) 역학적에너지 보존 = 80
• Ⅵ. 결론 및 제언 = 84
• 1. 실험 수행의 문제점 = 84
• 2. 보완 및 개선책 = 84
• 참고문헌 = 87
• ABSTRACT = 88