상과 물체의 인식 원리를 강조한 실물교수 수업의 효과 분석

Abstract

본 연구는 기하광학에 있어서 빛에 대한 이해와 빛의 현상적 경험을 연결시켜주는 원리와 교수를 도입하여 학생들이 광학현상을 올바르게 해석할 수 있도록 돕고자 한다. 이를 위하여 서울대학교 과학교육 연구소(2004)의 '빛의 상과 색의 원리', 상에 대한 학생들의 개념변화를 다룬 연구 논문을 분석하여 상과 물체의 인식을 설명하는데 필요한 학습요소를 추출하였으며, 서울대학교 과학교육 연구소(2004)의 '빛의 상과 색의 원리'와 McDermott(1996)의 'Physics by Inquiry'의 사진, 그림 자료 및 탐구 활동을 수업에 활용하였다. 추출된 학습 요소에 대한 학생들의 관련 개념의 형성 여부를 분석하고 연구 대상자를 선정하기 위하여 사전 검사지를 제작하였으며 상에 대한 개념 변화를 분석하기 위해 사후 검사지에도 일부 문항을 포함하였다. 사전 검사지에서 발췌된 네 문항을 비롯하여 사후 검사지에는 상황 의존성을 살펴보기 위하여 유사한 상황의 문항 네 개를 추가로 투입하였다. 사전 검사지와 사후 검사지 모두 시행 전 예비 검사 투입을 통해 검증 및 수정 작업을 하였으며, 될수록 문항마다 학생들의 생각을 구체적으로 표현할 수 있도록 하였다. 수업 전 사전검사는 경기도 지역 물리Ⅰ과정을 이수하고 있는 고등학생 40명을 대상으로 실시하였으며, 이중 6명을 선정하여 연구에 투입하여 학생들의 상에 대한 개념과 상황의존성에 미치는 효과를 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

첫째, 7차 교육과정을 이수하며 고등학교에서는 상과 관련한 학습 경험이 없는 40명의 학생들을 대상으로 한 사전 검사에서 학생들 대부분은 일상적인 경험에 의존하거나 기존의 학습 경험을 확장하여 상에 관련된 상황을 해석하려 하였다. 이는 7차 교육과정에서 상과 관련해서 원리보다는 실생활에서 관련된 예를 찾는 활동만을 한 결과, 대부분의 학생들은 상 개념이 형성되지 못했기 때문으로 인식원리와 실물교수를 강조한 수업을 받은 연구 대상 학생들은 광선다발(bundle of rays) 또는 빛다발(light flux)로 상 위치를 추적하는 등 상과 관련된 여러 문제 상황에서 83.3～100%의 높은 성공률을 보였다. 따라서 빛에 대한 올바른 개념과 광학 현상을 이해하는 근본적인 원리와 실제적 상황에서의 경험이 단순히 다양한 예를 찾고 관측하는 것에 비교하여 과학적 관점을 형성하는데 더 효과적임을 알 수 있다. 특히 상 인식 원리를 강조한 수업은 상을 물체와 같이 물질적으로 존재한다고 보는 상에 대한 물질적 사고와 경험에 의존하여 상을 설명하는 경향이 해결되었다. 둘째, 수업 전 사전 검사에서 대상 학생들 중 과학적 개념을 갖은 학생은 단 한 명도 없었다. 학생들은 광학기구에 의해 생긴 상이 이동하는 HI(holistic image), 빛에만 의존하여 상의 형성을 설명하는 유형, 마지막으로 한 개의 광선으로 상응하는 상점을 설명하는 IPC(image projection conceptualization)개념을 형성하고 있었다. 이에 수업을 적용한 이후 6명의 학생 중 2명의 학생을 제외한 모든 학생들은 상에 대한 과학적 관점을 형성하였으며 상에 대한 오개념을 가진 학생들 모두 사전검사에서 HI(holistic image)에 속하는 학생으로 초보적인 개념 변화에서 과학적 관점의 변화로 이행의 어려움을 보여주었다. 하지만 이 중 한 학생은 허상과 실상 개념의 혼동이외에 모든 문제 상황에 대한 답과 설명을 바르게 하였다. 가장 개념변화가 이루어지지 않은 학생은 수업 전 상 전체가 이동하는 HI(holistic image)개념에서는 발전하였으나, 실상과 허상 개념의 이해가 잘못되었으며, 상이 먼저 형성되고 관측은 형성된 상을 본다는 개념은 여전히 지속되는 등 불완전한 상 개념을 갖고 있었다. 상과 물체의 인식원리를 강조한 수업 이후에도 일부 학생들이 실상과 허상 개념에 대해 잘못된 이해를 하는 것에 대한 원인을 분석한 결과, 상의 인식을 강조한 나머지 물체와 비교하여 상(像)을 인식 대상으로만 생각하여 실(實)과 허(虛)에 대한 언어학적 의미를 잘못 이해를 한 때문으로 빛과 관련하여 허상과 실상이 형성되고 인식되는 과정 모두를 강조하여 바르게 구분할 수 있도록 유의하여 지도해야 함을 알 수 있었다. 셋째, 상황의존성은 4개 주제 (평면거울의 상 위치, 물속 동전의 상 위치, 점광원과 상점의 이해, 빛의 일부가 가려진 전구의 상 관측)에 대해 8개 문항으로 평가하였다. 검사 결과 학생을 제외한 모든 학생들은 상황에 상관없이 일관된 원리를 적용하여 정답을 말하였다. 학생은 원리에 대한 체계적 이해 그리고 빛의 이동과 시각에 의한 관측과 인식을 통합적으로 이해하지 못한 채 방법을 중심으로 부분적으로 이해하였기 때문에 오답을 말하거나 상황에 따른 의존성을 보였다. 하지만 원리를 이해하고 실물 교수를 통해 원리를 일관되게 적용하여 해석한 경험이 있는 학생들은 모두 상황의존성을 보이지 않아 상과 물체의 인식원리와 실물교수를 적용한 수업의 상황의존성에 대한 효과에 대해 긍정적인 평가를 내릴 수 있겠다. 본 연구 결과 7차 교육과정에서 상에 대해 원리를 제대로 학습하지 못하여 상에 대해 잘못된 해석과 방법을 사용한 학생들이 물체의 인식 원리를 강조한 실물 수업을 통해 상에 대한 과학적 관점을 형성하며 상황에 따른 응답이 달라지는 비율이 크게 감소하는 등 제한적이지만 그 효과를 확인할 수 있었다. 광학 현상을 설명하는 근본적인 원리와 실제적 상황에서의 경험이 단순히 다양한 예를 찾고 관측하는 것에 비교하여 과학적 관점을 형성하는데 더 효과적이며, 특히 상인식 원리를 강조한 수업은 물체와 같이 상이 물질적으로 존재한다고 보는 상에 대한 물질적 사고를 감소케 하며 경험이 아닌 원리에 의존하여 상과 관련된 광학 현상을 해석하도록 하였다. 따라서 제한된 상황과 최소 도해와 같이 과학 현상을 실재와 거리를 둔 채 이루어지는 현 광학 교육은 학생들이 놓인 일상에서 광학 현상을 해석하는데 어려움을 느끼게 하며, 자칫 또 다른 잘못된 생각을 구성할 수 있으므로 되도록 관측의 주(主)인 관측자를 적극적으로 도입하여 실제적으로 느끼는 인식에 대한 설명 그리고 빛과 관련된 현상을 실재에 가깝게 설명하고 경험케 하는 광학교육이 되었으면 한다.