고등학생의 특수 상대론 이해를 위한 '좋은' 물리수업의 설계와 적용: 과학의 실천전통을 기반으로 = Design and Application of 'Good' Physics Teaching for High School Students' Understanding of Special Relativity: Based on Practices in Science|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

번역하기

국문 초록 (Abstract)

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.

번역하기

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 절...