무지개, 달무리, 코로나 현상에 대한 예비교사의 과학적 이해 향상을 위한 실험 수업 개발

Abstract

중, 고등학교 과학 교육과정의 목표는 국가와 시대에 따라 차이가 있다. 그럼에도 공통적으로 과학 개념의 이해, 자연을 과학적으로 탐구하거나 이해하는 능력, 자연 현상과 과학 학습에 대한 흥미와 호기심, 일상생활의 문제를 과학적으로 해결하려는 태도, 과학 지식과 탐구 방법을 활용한 합리적 의사 결정 능력 등을 기르는 것을 포함하고 있다. 이를 통해 국가와 시대에 걸쳐 과학 개념의 이해와 더불어 자연 현상을 과학적으로 탐구하거나 이해하는 능력은 늘 강조되고 있음을 알 수 있다. 대부분의 자연 현상은 많은 변인들로 인하여 과학적으로 탐구하거나 이해하기가 쉽지 않다. 이를 학생들에게 설명하기 위한 많은 방법들 중에 예시현상을 이용한 방법이 있다. John(2007)에 의하면 예시현상이란 개념을 소개하고 설명하며 평가하기 위하여 복잡한 현상을 이상적인 경우로 상정하여 단순화한 현상이다. 통념적으로 과학 개념을 잘 이해하면 자연에 대한 과학적 탐구와 이해에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대한다. 따라서 자연현상에 대한 예시현상을 연구하는 것은 학생들이 가지고 있는 물리 개념을 연구하기 위한 좋은 방법이다. 일반적으로 광학은 다른 과학 분야들에 비해 실생활에 밀접하게 관련되어 있기 때문에 학생들이 호기심을 많이 가지는 영역이다. 특히 무지개, 달무리, 코로나와 같은 분광 현상은 관찰이 용이한 자연현상으로 대부분의 사람들이 아름다움을 느끼기 때문에 관심을 보인다. 1차 무지개, 달무리 현상은 빛의 일반적인 성질인 반사, 굴절 등의 기하 광학적 성질로 설명이 가능하고 코로나 현상은 회절 등의 파동 광학적 성질로 설명이 가능하다. 현재 이재봉(2004) 등의 빛의 분광(스펙트럼)에 대한 교사와 중학생의 개념 유형을 분석하는 내용의 선행 연구는 있으나 무지개, 달무리, 코로나와 같은 자연현상에 관한 학생 및 예비교사들의 이해수준 및 그 원인을 연구한 논문은 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 먼저 무지개, 달무리, 코로나에서 관찰되는 분광 현상에 대한 예비교사들의 이해수준을 조사하고 그 원인을 분석하였다. 그리고 달무리, 코로나와 관련한 육각 프리즘 실험 및 달에 의한 코로나 예시현상 실험을 개발․적용하여 빛과 상에 대한 개념 및 달무리, 코로나의 이해에 각각 어떠한 효과가 있는지 분석하였다. 이를 위해 서울소재 사범대학 물리교육 전공 학생 13명에게 직접 개발한 검사지를 설문하였다. 무지개, 달무리, 코로나에서 관찰되는 분광 현상에 대한 예비교사의 이해수준을 조사한 결과 대체로 낮은 것으로 나타났다. 달무리와 무지개를 과학적으로 이해하고 있는 예비교사는 1명밖에 없었으며, 코로나 현상을 과학적으로 이해하고 있는 예비교사도 2명밖에 없었다. 무지개, 달무리, 코로나에서 관찰되는 분광 현상에 대한 이해수준이 낮은 이유는 다음과 같다. 첫째, 대부분의 예비교사들은 상에 대한 개념이 부족하여 광선 추적을 하는데 어려움을 느꼈다. 둘째, 대부분의 예비교사들은 눈에 대한 이해가 부족하여 입자의 개수가 많아지는 것에 어려움을 느꼈다. 셋째, 상에 대한 개념과 눈에 대한 이해의 부족으로 인하여 무지개를 설명하는 교과서를 이해하기에 어려움이 있었다. 달무리, 코로나와 관련한 육각 프리즘 실험 및 달에 의한 코로나 예시현상 실험을 개발․적용해 본 결과 육각 프리즘 실험에 의해 상에 대한 개념이 과학적이지 않은 12명의 예비교사들 중 10명이 상에 대한 과학적인 개념을 가지게 되는데 큰 도움을 받은 것으로 나타났다. 그러나 달무리를 과학적으로 이해하는 예비교사의 수는 변함이 없었다. 코로나 예시현상 실험은 상에 대한 과학적인 개념뿐만 아니라 눈의 특성을 이해하는데도 도움을 주어 코로나에 대한 이해가 부족한 11명의 예비교사들 중 6명의 예비교사들이 코로나를 이해하는데 도움을 받은 것으로 나타났다. 이는 관측 상황과 관측의 실재성만 고려한 육각 프리즘 실험은 예비교사들의 달무리 현상 이해에 도움을 주지 못한 반면 관측 상황, 입자의 개수, 관측의 실재성을 고려한 코로나 예시현상 실험은 예비교사들이 코로나 현상을 이해하는데 큰 도움을 주는 것으로 볼 수 있다. 따라서 학생들에게 자연 현상에 대한 이해 및 탐구를 목적으로 실험을 개발할 때는 관측 상황, 입자의 개수, 관측의 실재성을 고려해야 한다. 무지개, 달무리, 코로나는 실생활 속에서 흔히 접할 수 있고 특히 무지개는 교과서에 수록되어 있어 우리에게 매우 친숙한 자연현상이다. 그럼에도 불구하고 연구에 참여한 대부분의 예비교사들의 이해 수준이 낮다는 점은 문제가 있다고 생각할 수 있다. 그러나 연구 과정에서 세 현상과 관련된 실험을 통해 예비교사의 이해도가 향상되고 상과 빛에 대한 과학적인 개념이 형성됨을 확인할 수 있었다. 그러므로 자연을 과학적으로 탐구하거나 이해하는 능력 배양이라는 교육 목표를 달성하기 위해서는 자연 현상에 관한 다양한 실험 개발과 더불어 이에 관한 많은 연구 및 교재 개발에 힘써야 할 것이다. 본 연구에서 개발한 코로나 예시현상 실험은 코로나라는 복잡한 자연현상을 실험실에서 탐구하고 그 원리를 간단하게 설명할 수 있게 하는 실험으로 학생들에게 물리에 대한 호기심을 끌기에 충분하다. 또한 파동 광학 영역에 속하는 내용으로 기하 광학 영역에 치우쳐 있는 현행 교육 과정에서 학생들이 빛의 파동성을 인지하게 할 수 있는 적절한 주제의 실험이라 할 수 있다. 따라서 빛의 파동성에 의한 현상인 회절과 코로나 현상을 이해하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대하는 바이다.